CN101626007A

CN101626007A - 一种超薄预镀层引线框及其制备方法

Info

Publication number: CN101626007A
Application number: CN 200910041700
Authority: CN
Inventors: 刘立林; 张统一
Original assignee: Guangzhou HKUST Fok Ying Tung Research Institute
Current assignee: Guangzhou HKUST Fok Ying Tung Research Institute
Priority date: 2009-08-07
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2029-08-07
Also published as: CN101626007B

Abstract

一种超薄预镀层引线框(PPF)包括以下两种结构：(一)在高织构铜合金基体引线框架上依次电沉积锡金属层、镍金属层、钯金属层和金金属层；(二)在高织构铜合金基体引线框架上依次电沉积镍金属层、锡金属层、镍金属层、钯金属层和金金属层。通过互扩散反应原位形成的Cu－Sn－Ni或Ni－Sn金属间化合物(IMC)有效地阻挡了铜的外扩散与氧化，联合本发明开发的准外延脉冲电镀工艺，本发明获得了超薄预镀层引线框，提高了引线框的抗氧化、耐腐蚀性能，取代了以往通过镀厚Ni等金属层防腐的工艺模式，有效地降低了Ni/Pd/Au层厚度，降低了成本。

Description

一种超薄预镀层引线框及其制备方法

技术领域

本发明属于无铅电子封装领域，具体涉及一种超薄预镀层引线框结构及其制备工艺。本发明提出了的两种预镀层引线框架(PPF)结构，同时本发明还涉及采用高频脉冲电流电沉积制备准外延生长的引线框架超薄预镀层的工艺方法。

背景技术

预镀层引线框(Pre-plated leadframe，简称PPF)是半导体器件中重要的组成部分。它为半导体芯片提供支撑并连通芯片和布线板。由Cu合金作为引线框架基体依次电镀Ni、Pd和Au层的电镀引线框得到了广泛的应用。Ni层可以为引线框提供抗氧化和抗腐蚀性能。这是因为Ni层可以阻止Cu向外扩散到引线框表面，而Cu的外扩散和在引线框表面发生氧化是造成引线框失效的最主要的机理。超薄Pd层和顶层的Au层可使引线框更容易结合引线和焊接，并保护下面的Ni层不被氧化。通常，增加Au/Pd/Ni层的厚度可以提高引线框的质量和可靠性。但是，成本也随之提高。此外，Au/Pd层厚度的增加还会引起焊接点(solderjoint)的脆化，厚的镍金属层在弯曲的时候易断开裂，这些都是可靠性的隐忧。

这样，就在技术上面临着如何既能降低Au/Pd/Ni层的厚度节省成本又保持甚至提高引线框的质量和可靠性的挑战。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种通过在铜合金基体上电沉积纳米级的锡、镍金属层或者镍、锡金属层，各金属层互扩散反应相应地原位形成Cu-Sn-Ni和Ni-Sn金属间化合物IMC层，联合本发明开发的准外延脉冲电镀工艺，既能降低Au/Pd/Ni层的厚度节省成本又保持甚至提高引线框的质量和可靠性的预镀层结构。

本发明的超薄预镀层引线框，包括高织构铜合金基体，其特征在于：所述铜合金基体上依次电沉积纳米级的锡、镍、钯和金金属层或第一镍金属层、锡金属层、第二镍金属层、钯金属层和金金属层。

所述锡金属层的厚度小于10nm，通过互扩散反应原位形成Cu-Sn-Ni或者Ni-Sn金属间化合物IMC层。

所述的第一镍金属层和第二镍金属层的厚度可任意，但本发明优先选取第一镍金属层厚度小于第二镍金属层。

所述的铜合金基体引线框架具有高面外织构{100}、{110}或{111}，织构度大于70％。

上述提出的两种预镀层结构，通过本发明开发的高频脉冲准外延电沉积工艺来实现，其特征在于主要包括以下步骤：

预镀层结构(一)

(1)对引线框铜合金基体进行活化处理；

(2)在引线框铜合金基体上，用高频脉冲电流电沉积一层纳米级厚度的锡(Sn)金属层；

(3)在Sn金属层上面，用高频脉冲电流电沉积镍(Ni)金属层；

(4)在Ni金属层上，用高频脉冲电流电沉积一层纳米级厚度的钯(Pd)金属层；

(5)最后再用高频脉冲电流电沉积一层纳米级厚度的金(Au)金属层。

预镀层结构(二)

(1)对铜合金引线框基体进行活化处理；

(2)在铜合金引线框基体上，用高频脉冲电流电沉积一层纳米或亚微米级厚度的第一镍(Ni)金属层；

(3)在第一镍金属层上面，用高频脉冲电流电沉积纳米级厚度的锡(Sn)金属层；

(4)在锡金属层上，用高频脉冲电流再电沉积一层第二镍金属层；

(5)在第二镍金属层上，用高频脉冲电流电沉积一层纳米级厚度的钯(Pd)金属层；

(6)最后再用高频脉冲电流电沉积一层纳米级厚度的金(Au)金属层。

本发明步骤1)所述的活化处理，其特征在于，首先将引线框铜合金基体采用8％-20％硫酸溶液先浸泡10-30s，然后用去离子水进行冲洗；再把引线框铜合金基体浸入8％-20％的盐酸溶液中，浸泡时间为10-30s，最后用去离子水清洗后吹干，备用电沉积处理。

本发明所述的电沉积Sn金属层，其特征在于，其厚度小于10nm，采用的高频脉冲电流的工作频率为200Hz-500Hz，电流密度为0.1-2A/dm²，所用的占空比为30％-60％；电沉积的时间为2s-10s、然后用去离子水清洗。

本发明所述的电沉积Ni金属层，其特征在于，其总厚度为50～400nm，采用的高频脉冲电流的频率为50Hz-200Hz，电流密度为2-5A/dm2，占空比为50％-80％，电沉积时间为3s-15s，然后去离子水清洗，并采用8％-15％盐酸溶液先浸泡10-20s，然后用去离子水进行冲洗。

本发明所述的电沉积Pd金属层，其特征在于，其厚度为5～15nm，采用的高频脉冲电流的频率为150Hz-400Hz，电流密度为0.1-2A/dm2，占空比为40％-70％，电沉积时间为5s-10s，然后用去离子水清洗。

本发明所述的电沉积Au金属层，其特征在于，其厚度为1～10nm，采用的高频脉冲电流的频率为150Hz-500Hz，电流密度为0.1-1A/dm2，占空比为40％-70％，电沉积时间为5s-10s，然后去离子水清洗并吹干。

本发明中用于电沉积Sn金属层的镀液，其特征在于包含：甲基磺酸亚锡10～40g/L，硫酸亚锡20～40g/L，甲酚磺酸30～50g/L，硫酸10～20g/L，4-4’四甲基二氨基二苯甲烷0.1～0.8g/L，明胶0.05～0.5g/L，溶液温度为10～40℃。

本发明中用于电沉积Ni金属层的镀液，其特征在于包含：硫酸镍50～80g/L，氯化镍10～40g/L，硼酸10～20g/L，糖精0.1～1g/L，十二烷基硫酸钠0.01～0.3g/L，溶液PH值为3～6，溶液温度为40～70℃。

本发明中用于电沉积Pd金属层的镀液，其特征在于包含：二氯二氨基钯10～30g/L，氯化铵5～20g/L，氨水10～25g/L，溶液PH值为6～11，溶液温度为15～40℃。

本发明中用于电沉积Au金属层的镀液，其特征在于包含：亚硫酸金钠5～20g/L，亚硫酸钠20～60g/L，乙二胺四乙酸钠0.1～1g/L，2，4二硝基酚0.05～2g/L，溶液PH值为8～12，溶液温度为30～60℃。

与现有技术相比，本发明采用高频脉冲电流准外延电沉积工艺先在铜合金引线框基体上面沉积一层纳米级Sn金属层，然后再电沉积Ni金属层，从而在Cu合金基体和Ni金属层之间将自动形成一层致密连续的纳米级厚度的准外延(Cu，Ni)₃Sn金属间化合物层，Cu在金属间化合物中的扩散激活能高，扩散速率低，从而有效的降低Cu的外扩散，有效地降低了Au/Pd/Ni层厚度，获得了超薄引线框预镀层，同时增加了引线框的抗氧化、耐腐蚀性能。

附图说明

图1是本发明实施例一引线框的结构示意图；

图2是本发明实施例二引线框的结构示意图；

图3是现有的预镀层引线框结构示意图；

图4是在空气中300摄氏度做氧化实验室氧化层厚度随时间变化的曲线。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施例具体说明本发明。应当理解，本发明的范围不应局限于实施例的范围。任何不偏离本发明主旨的变化或改变能够为本领域的技术人员所理解。本发明的保护范围由所附权利要求的范围确定。下面两个实施例中所用的均是C194铜合金引线框基体，该引线框架通过铜带扎制获得高{100}面外织构，织构度大于80％，冲压获得本发明所用的引线框基体。

实施例一

如图1所示的超薄预镀层引线框是本发明的实施例一，它包括铜合金引线框基体1，该基体上依次电沉积锡(Sn)金属层2、镍(Ni)金属层3、钯(Pd)金属层4和金(Au)金属层5。

本实施例中，Sn金属层的厚度为3nm、Ni金属层的厚度为250nm、纳米级Pd金属层的厚度为10nm、纳米级Au金属层的厚度为2nm。

在实际应用中，Sn金属层的厚度可在1～10nm范围内任意选取，Ni金属层的厚度可在50～350nm范围内选取合适的数值；Pd金属层的厚度可在5～15nm范围内适当选取；Au金属层的厚度可在1～10nm范围内适当选取。

实施例二

如图2所示的超薄预镀层引线框是本发明的实施例二，它包括铜合金引线框基体1，该基体上依次电沉积第一镍(Ni)金属层6、锡(Sn)金属层2、第二镍(Ni)金属层3、钯(Pd)金属层4和金(Au)金属层5。

本实施例中，第一Ni金属层6的厚度为50nm、Sn金属层的厚度为3nm、第二Ni金属层3的厚度为200nm、Pd金属层的厚度为10nm、Au金属层的厚度为2nm。

在实际应用中，第一Ni金属层6的厚度可在0～200nm范围内任意选取，第二Ni金属层的厚度可在50～350nm范围内选取合适的数值；Sn金属层的厚度可在1～10nm范围内任意选取，Pd金属层的厚度可在5～15nm范围内适当选取；Au金属层的厚度可在1～10nm范围内适当选取。

实施例三

本发明的实施例3是高频脉冲电沉积制备引线框的方法制备实施例一和二所述的预镀层结构，具体包括：

1)对铜合金引线框基体进行活化处理：首先将引线框采用8％-20％硫酸溶液先浸泡10-30s，然后用去离子水进行冲洗；然后再把引线框浸入8％-20％的盐酸溶液中，浸泡时间为10-30s，然后用去离子水清洗后吹干，用于电沉积处理。

2)Sn金属层电镀液和电镀工艺：采用的高频脉冲电的工作频率为200Hz-500Hz，电流密度为0.1-2A/dm²，所用的占空比为30％-60％；采用的镀液由甲基磺酸亚锡10～40g/L，硫酸亚锡20～40g/L，甲酚磺酸30～50g/L，硫酸10～20g/L，4-4’四甲基二氨基二苯甲烷0.1～0.8g/L，明胶0.05～0.5g/L混合而成；将渡液的温度加热到10～40℃，然后电沉积2s-10s、再用去离子水清洗。

3)Ni金属层电镀液和电镀工艺：采用的高频脉冲电的电源频率为50Hz-200Hz，电流密度为2-5A/dm2，占空比为50％-80％；采用的镀液由硫酸镍50～80g/L，氯化镍10～40g/L，硼酸10～20g/L，糖精0.1～1g/L，十二烷基硫酸钠0.01～0.3g/L混合而成；镀液的PH值为3～6，并加热到40～70℃，然后电沉积3s-15s，再去离子水清洗；接着把已经电镀Ni金属层的引线框用8％-15％盐酸溶液先浸泡10-20s，然后用去离子水进行冲洗。

4)Pd金属层电镀液和电镀工艺：采用的高频脉冲电的电源频率为150Hz-400Hz，电流密度为0.1-2A/dm2，占空比为40％-70％；采用的镀液由二氯二氨基钯10～30g/L，氯化铵5～20g/L，氨水10～25g/L混合而成；镀液的PH值为6～11，并加热到15～40℃，然后电沉积时间为5s-10s，然后用去离子水清洗。

5)Au金属层电镀液和电镀工艺：采用的高频脉冲电的脉冲电源频率为150Hz-500Hz，电流密度为0.1-1A/dm2，占空比为40％-70％；采用的镀液由亚硫酸金钠5～20g/L，亚硫酸钠20～60g/L，乙二胺四乙酸钠0.1～1g/L，2，4二硝基酚0.05～2g/L混合而成；镀液的PH值为8～12，并加热到30～60℃，然后电沉积时间为5s-10s，然后去离子水清洗并吹干。

抗氧化性能测试报告：

为了验证本发明提出的超薄预镀层引线框结构的性能，我们制备了表1所述的三种超薄预镀层引线框，以传统的预镀层引线框作参照样品(图3所示)，实验样品分别是实施例一和二所述超薄预镀层引线框。将三种样品在300℃连续加热，采用能谱仪(EDX)间接测量表面氧化层的厚度，氧化层厚度随加热时间的变化如图4所示。很明显，本发明提出的两种超薄预镀层引线框结构具有良好的抗氧化性。

表1：三种预镀层引线框结构中表面预镀层各层的实测厚度(×10^-9m)

Claims

1、一种超薄预镀层引线框，包括高织构铜合金基体，其特征在于：所述铜合金基体(1)上依次电沉积纳米级的锡、镍、钯和金金属层(2、3、4、5)或第一镍金属层(3)、锡金属层(2)、第二镍金属层(3)、钯金属层(4)和金金属层(5)。

2、根据权利要求1所述的超薄预镀层引线框，其特征在于：所述锡金属层(2)的厚度小于10nm，通过互扩散反应原位形成Cu-Sn-Ni或者Ni-Sn金属间化合物IMC层。

3、根据权利要求1所述的超薄预镀层引线框，其特征在于：所述的第一镍金属层厚度小于第二镍金属层。

4、根据权利要求1所述的超薄预镀层引线框，其特征在于：所述的铜合金基体(1)引线框架具有高面外织构{100}、{110}或{111}，其织构度大于70％。

5、一种制备如权利要求1至4所述的任意一项超薄预镀层引线框的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)对引线框铜合金基体进行活化处理；

(2)在引线框铜合金基体上，用高频脉冲电流电沉积一层纳米级厚度的锡金属层；

(3)在锡金属层上面，用高频脉冲电流电沉积镍金属层；

(4)在镍金属层上，用高频脉冲电流电沉积一层纳米级厚度的钯金属层；

(5)最后再用高频脉冲电流电沉积一层纳米级厚度的金金属层。

6、一种制备如权利要求1至4所述的任意一项超薄预镀层引线框的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)对铜合金引线框基体进行活化处理；

(2)在铜合金引线框基体上，用高频脉冲电流电沉积一层纳米或亚微米级厚度的第一镍金属层；

(3)在第一镍金属层上面，用高频脉冲电流电沉积纳米级厚度的锡金属层；

(5)在第二镍金属层上，用高频脉冲电流电沉积一层纳米级厚度的钯金属层：

(6)最后再用高频脉冲电流电沉积一层纳米级厚度的金金属层。

7、根据权利要求5和6任一项所述的制备超薄预镀层引线框的方法，其特征在于：步骤1)所述的活化处理：首先将引线框采用8％-20％硫酸溶液先浸泡10-30s，然后用去离子水进行冲洗；然后再把引线框浸入8％-20％的盐酸溶液中，浸泡时间为10-30s，然后用去离子水清洗后吹干。

8、根据权利要求5和6任一项所述的制备超薄预镀层引线框的方法，其特征在于：所述的用高频脉冲电流电沉积纳米级厚度的锡金属层时：采用的高频脉冲电流的工作频率为200Hz-500Hz，电流密度为0.1-2A/dm²，所用的占空比为30％-60％；电沉积的时间为2s-10s、然后用去离子水清洗；用于电沉积纳米级Sn金属层的镀液为：甲基磺酸亚锡10～40g/L，硫酸亚锡20～40g/L，甲酚磺酸30～50g/L，硫酸10～20g/L，4-4’四甲基二氨基二苯甲烷0.1～0.8g/L，明胶0.05～0.5g/L，溶液温度为10～40℃。

9、根据权利要求5和6任一项所述的制备超薄预镀层引线框的方法，其特征在于：所述的在锡金属层上面，用高频脉冲电流电沉积镍金属层时，采用的高频脉冲电流的频率为50Hz-200Hz，电流密度为2-5A/dm2，占空比为50％-80％，电沉积时间为3s-15s，然后去离子水清洗，并采用8％-15％盐酸溶液先浸泡10-20s，然后用去离子水进行冲洗；用于电沉积Ni金属层的镀液为：硫酸镍50～80g/L，氯化镍10～40g/L，硼酸10～20g/L，糖精0.1～1g/L，十二烷基硫酸钠0.01～0.3g/L，溶液PH值为3～6，溶液温度为40～70℃。

10、根据权利要求5和6任一项所述的制备超薄预镀层引线框的方法，其特征在于：所述的在镍金属层上，用高频脉冲电流电沉积一层纳米级厚度的钯金属层时，采用的高频脉冲电流的频率为150Hz-400Hz，电流密度为0.1-2A/dm2，占空比为40％-70％，电沉积时间为5s-10s，然后用去离子水清洗；用于电沉积纳米级Pd金属层的镀液为：二氯二氨基钯10～30g/L，氯化铵5～20g/L，氨水10～25g/L，溶液PH值为6～11，溶液温度为15～40℃。权利要求5步骤(5)和权利要求6步骤(6)采用的高频脉冲电的脉冲电源频率为150Hz-500Hz，电流密度为0.1-1A/dm2，占空比为40％-70％，电沉积时间为5s-10s，然后去离子水清洗并吹干；用于电沉积纳米级Au金属层的镀液为：亚硫酸金钠5～20g/L，亚硫酸钠20～60g/L，乙二胺四乙酸钠0.1～1g/L，2，4二硝基酚0.05～2g/L，溶液PH值为8～12，溶液温度为30～60℃。