CN104805479A - 一种功率半导体器件引线框架的表面处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率半导体器件引线框架的表面处理方法，其特征在于：依次包括超声波除油、电解除油、水洗、硫酸中和活化、水洗、电镀铜、水洗、酸中和、水洗、铜保护、水洗、热水洗和烘干，所述电镀铜的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架导入电镀液中进行电镀铜，所述电镀液包括如下成分：氰化亚铜30～50g/L；氢氧化钾5～15g/L；锡酸钠5～15g/L；由于锡酸钠的添加，电镀后使得在镀层中含有0.1-0.5%的锡，在表面形成了铜锡复合镀层，相对于现有的铜层来说，铜锡复合镀层与熔融的锡更容易相互润湿，增加沾锡时的浸润性，提高锡与引线框架表面的相互润湿，保证锡层与芯片沾接的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体引线框架的表面处理方法，尤其涉及一种功率半导体器件引线框架的表面处理方法。
背景技术
半导体封装中一个非常重要的材料就是引线框架。引线框架是半导体封装的三大基本原材料之一(另外两种是塑封材料和芯片本身)。半导体封装中的内部互联通常使用金线、铝丝、铜丝，实现管脚与芯片之间的连接。采用金线的金丝球热超声波压焊多用于存储器、处理器以及专用集成电路芯片等的内互联。采用铝丝的冷超声波压焊多用于功率、整流器等半导体器件的封装。
功率半导体器件也被称为电力电子器件，简单来说，就是进行功率处理的，具有处理高电压，大电流能力的半导体器件。由于所处理的电流电压比较大，通常采用比较粗的铝线同时采用超声波焊接技术来实现芯片和引脚的内互联。功率半导体器件的引线框架一般由铜合金作为基材，制造过程主要是模具冲压和表面处理两大工序，经过冲压成型后．再经过表面处理以便增加可焊性。表面处理主要是除油、电镀铜和镀层保护，引线框架的表面处理之所以重要是因为焊接工艺直接作用于其表面，作为引线的电气连接点是实现芯片功能和外部电路连接的桥梁，对于内互联来说比较重要的是表面质量，直接影响焊接的可靠性。
引线框架的表面质量主要包括表面粗糙度、电镀层金属特性以及致密度、电镀层厚度和氧化污染程度等。表面粗糙度对焊接质量的影响，一般而言，认为焊接的两个表面越光滑，则原子间的结合和扩散过程越容易进行，从而焊接越容易，但实际上在超声波焊接领域，由于焊接能量是因焊接材料间的相互摩擦产生的热量而引起的塑性变形。所以，并不是表面越光滑，焊接越容易，相反，一定的粗糙度反而可焊性和接头的机械强度要好。当然，粗糙度太大，到一定程度不能有相互的位移，也导致焊接的困难导致接头焊点机械特性的降低。研究表明，一定的粗糙度，硬度相近的材料其焊接比较容易，也能得到比较好的焊接效果。除了表面粗糙度外，引线框架表面的电镀质量也对焊接质量产生直接的影响，表面电镀金属的致密程度、硬度、以及抗氧化的能力等都会对铝丝的焊接产生直接影响。
而现有的经过表面处理的功率半导体器件在沾锡时，存在着沾锡不良，锡层不能完全摊开的缺陷，导致沾锡后，芯片与锡层沾接的可靠性变差。现有的经过表面处理的功率半导体器件在焊接铝丝时由于表面电镀金属致密度的原因导致焊接性能差，芯片与内引脚之间的内互联的可靠性变差。
发明内容
为了克服现有表面处理工艺在处理功率半导体器件引线框架存在的缺陷，本发明提供了一种功率半导体器件引线框架的表面处理方法，该表面处理方法对电镀工序进行了改进，使得处理后的引线框架沾锡效果好，充分保证了芯片与锡层粘接的可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种功率半导体器件引线框架的表面处理方法，其特征在于：依次包括超声波除油、电解除油、水洗、硫酸中和活化、水洗、电镀铜、水洗、酸中和、水洗、铜保护、水洗、热水洗和烘干，所述电镀铜的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架导入电镀液中进行电镀铜，所述电镀液包括如下成分：
氰化亚铜 ： 30～50g/L；
氢氧化钾 ： 5～15g/L；
锡酸钠 ： 5～15g/L；
电镀液的温度为40～60℃，电镀时间为10～20S，电镀电流密度为4～6安培/平方分米。
所述电镀液中还包括：
酒石酸钾钠 ： 15～25g/L；
三乙醇胺 ： 10～20g/L；
Copper Glo Brightener 38 ：1.0～2.0ml/L。
所述Copper Glo Brightener 38 为美国罗门哈斯公司生产的一种碱铜光亮剂，该碱铜光亮剂的型号：Copper Glo Brightener38 。所述超声波除油的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架导入超声波脱脂剂中进行超声波除油，超声波脱脂剂的温度为50～60℃，超声波脱脂剂浓度为50～60g/L，超声波除油时间为10～20S。
所述电解除油的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架导入电解除油剂中进行电解除油，电解除油剂的温度为50～60℃，电解除油剂的浓度为50～60g/L，电解除油时间为10～20S。
所述硫酸中和活化的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架硫酸溶液中进行酸洗，硫酸溶液浓度为3～7g/L，酸洗时间为5～15S。
所述酸中和的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架导入硫酸溶液中进行中和，硫酸溶液浓度为0.5～1.5g/L，中和时间为6～10S。
所述铜保护的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架导入保护液中进行浸泡附上铜保护膜，所述保护液中铜保护剂的浓度为0.5～1.5ml/L，保护液的pH值为5～7，温度20～40℃，浸泡时间为10～20S。
所述烘干的具体工艺要求为：烘干的温度120～140℃，时间为15～25S。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明在电镀铜时，电镀液中加入的氰化亚铜、氢氧化钾和锡酸钠，电镀液的温度为40～60℃，电镀时间为10～20S，电镀电流密度为4～6安培/平方分米。通过这种电镀液，电镀后使得在镀层中含有0.1-0.5%的锡，在表面形成了铜锡复合镀层，相对于现有的铜层来说，铜锡复合镀层与熔融的锡更容易相互润湿，增加沾锡时的浸润性，提高锡与引线框架表面的相互润湿，保证锡层与芯片沾接的可靠性；添加的碱铜补充剂、三乙醇胺和酒石酸钾钠使得镀层结晶更细致，降低了镀层中夹杂的其他金属杂质含量，并且改善产品功能区的镀层均匀性，确保镀层的可焊性。铝丝易于焊接，保证了芯片与内引脚之间的内互联可靠性。
具体实施方式
本发明的目的在于改善功率半导体引线框架的沾锡和焊接性。改善芯片与载片之间的连接，以及铝丝与芯片和内引脚之间的连接。
本发明的工艺流程为：
超声波除油、电解除油、水洗、硫酸中和活化、水洗、电镀铜、水洗、酸中和、水洗、铜保护、水洗、热水洗和烘干，所述电镀铜的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架导入电镀液中进行电镀铜，所述电镀液包括如下成分：
氰化亚铜 ： 30～50g/L；
氢氧化钾 ： 5～15g/L；
锡酸钠 ： 5～15g/L；
电镀液的温度为40～60℃，电镀时间为10～20S，电镀电流密度为4～6安培/平方分米。
所述电镀液中还包括：
酒石酸钾钠 ： 15～25g/L；
三乙醇胺 ： 10～20g/L；
Copper Glo Brightener 38：1.0～2.0ml/L。
所述Copper Glo Brightener 38 为美国罗门哈斯公司生产的一种碱铜光亮剂，该碱铜光亮剂的型号：Copper Glo Brightener 38 。
所述超声波除油的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架导入超声波脱脂剂中进行超声波除油，超声波脱脂剂的温度为50～60℃，超声波脱脂剂浓度为50～60g/L，超声波除油时间为10～20S。
所述电解除油的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架导入电解除油剂中进行电解除油，电解除油剂的温度为50～60℃，电解除油剂的浓度为50～60g/L，电解除油时间为10～20S。
所述硫酸中和活化的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架硫酸溶液中进行酸洗，硫酸溶液浓度为3～7g/L，酸洗时间为5～15S。
所述酸中和的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架导入硫酸溶液中进行中和，硫酸溶液浓度为0.5～1.5g/L，中和时间为6～10S。
所述铜保护的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架导入保护液中进行浸泡附上铜保护膜，所述保护液中铜保护剂的浓度为0.5～1.5ml/L，保护液的pH值为5～7，温度20～40℃，浸泡时间为10～20S。
所述烘干的具体工艺要求为：烘干的温度120～140℃，时间为15～25S。
现有技术的镀铜的工艺规范为:氰化亚铜30±10g/L、氢氧化钾20±5g/L、酒石酸钾钠 30±5g/L，阳极：电解铜板；本发明的镀铜工艺规范为：氰化亚铜40±10g/L、氢氧化钾10±5g/L、酒石酸钾钠 20±5g/L、锡酸钠10±5g/L，Copper Glo Brightener 38：1.0～2.0ml/L，所述Copper Glo Brightener 38为罗门哈斯公司生产的碱铜补充剂，三乙醇胺15±5g/L，阳极：电解铜板；现有技术的镀铜工艺没有引入锡酸钠，只镀铜，在沾锡时，铜层与锡的湿润性不好，经常出现缩锡和空洞的不良。而本发明的产品表面是铜锡复合镀层，与锡的湿润性和可焊性都很好，解决了以往存在的质量问题。由于添加了铜补充剂、三乙醇胺，镀层结晶更细致，降低了镀层中夹杂的其他金属杂质含量，并且改善产品功能区的镀层均匀性，确保镀层的可焊性。
下面结合实施例对发明作进一步的描述，所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于发明的保护范围。
实施例1
本实施例包括如下工艺步骤：
A、进行超声波除油：将功率半导体引线框架引导入超声波脱脂剂中进行超声波除油，利用声波振动使表面覆着的油污疏松脱落，以除去基体表面在冲压时残留的油脂。超声波脱脂剂温度为50℃（摄氏度），超声波脱脂剂溶度为50g/L（克每升），超声波除油时间10S（秒）。
B、进行电解除油：将功率半导体引线框架导入电解除油剂中进行电解除油，利用电解时表面析出氢气使表面覆着的油污脱落，以除去基体表面在冲压时残留的油脂。温度为55℃，电解除油剂的浓度为55g/L，时间10S。
C、进行硫酸中和活化：将功率半导体引线框架导入硫酸溶液中进行酸洗，以中和除去基体表面碱性物质并对基体表面的氧化层进行还原反应。硫酸溶液浓度是5g/L，酸洗时间是12S。
进行电镀铜：将功率半导体引线框架导入电镀液中进行电镀铜，所述电镀液各组份的含量具体是：氰化亚铜40g/L、氢氧化钾10g/L、酒石酸钾钠 15g/L、锡酸钠15g/L，Copper Glo Brightener 38：1.0ml/L，所述Copper Glo Brightener 38为罗门哈斯公司生产的碱铜补充剂, 三乙醇胺20g/L，阳极：电解铜板；主要控制点：在镀层中含有0.1-0.5%的锡，使镀层与熔融的锡更容易相互润湿，增加沾锡时的浸润性，提高锡与引线框架表面的相互润湿，保证锡层与芯片沾接的可靠性；增加酒石酸钾钠和补充剂，提高镀铜层的致密度和结晶更细致，保证精压区域的表面可焊性。电镀液温度50℃，电镀时间是20S，电镀电流密度是4安培/平方分米，溶液连续过滤。
D、进行硫酸中和：将功率半导体引线框架导入硫酸溶液中进行酸洗，以中和除去在镀铜时残留在表面的物质。硫酸溶液浓度是1g/L，酸洗时间是8S。
F、进行铜保护：将功率半导体引线框架导入保护液中进行附上铜保护膜，保护液中含有铜保护剂，该铜保护剂为美国罗门哈斯公司生产的铜保护剂，其浓度为1ml/L，溶液的pH为6，温度为30℃，浸泡时间是15S。
G、最后进行水洗和烘干，烘干的温度130℃，时间20S。
此外，为了保证每个步骤处理后不影响下一个步骤的操作产生药水相互污染和干扰，步骤A、B、C、D、E、F之后进行水洗的步骤，在去离子水中清洗10S左右，同时，将残留在基体表面的去离子水去除干净，进入烘干机烘干，以确保基体表面的镀层干燥洁净。
实施例2
A、进行超声波除油：将功率半导体引线框架引导入超声波脱脂剂中进行超声波除油，利用声波振动使表面覆着的油污疏松脱落，以除去基体表面在冲压时残留的油脂。超声波脱脂剂温度为55℃（摄氏度），超声波脱脂剂溶度为55g/L（克每升），超声波除油时间15S（秒）。
B、进行电解除油：将功率半导体引线框架导入电解除油剂中进行电解除油，利用电解时表面析出氢气使表面覆着的油污脱落，以除去基体表面在冲压时残留的油脂。温度为50℃，电解除油剂的浓度为55g/L，时间16S。
C、进行硫酸中和活化：将功率半导体引线框架导入硫酸溶液中进行酸洗，以中和除去基体表面碱性物质并对基体表面的氧化层进行还原反应。硫酸溶液浓度是3g/L，酸洗时间是8S。
D、进行电镀铜：将功率半导体引线框架导入电镀液中进行电镀铜，所述电镀液各组份的含量具体是：氰化亚铜35g/L、氢氧化钾5g/L、酒石酸钾钠 20g/L、锡酸钠12g/L，Copper Glo Brightener 38：1.3ml/L，所述Copper Glo Brightener 38
为罗门哈斯公司生产的碱铜补充剂, 三乙醇胺15g/L，阳极：电解铜板；主要控制点：在镀层中含有0.1-0.5%的锡，使镀层与熔融的锡更容易相互润湿，增加沾锡时的浸润性，提高锡与引线框架表面的相互润湿，保证锡层与芯片沾接的可靠性；增加酒石酸钾钠和补充剂，提高镀铜层的致密度和结晶更细致，保证精压区域的表面可焊性。电镀液温度40℃，电镀时间是15S，电镀电流密度是5安培/平方分米，溶液连续过滤。
E、进行硫酸中和：将功率半导体引线框架导入硫酸溶液中进行酸洗，以中和除去在镀铜时残留在表面的物质。硫酸溶液浓度是0.5g/L，酸洗时间是10S。
F、进行铜保护：将功率半导体引线框架导入保护液中进行附上铜保护膜，保护液中含有铜保护剂，该铜保护剂为美国罗门哈斯公司生产的铜保护剂，其浓度为0.8ml/L，溶液的pH为5，温度为25℃，浸泡时间是15S。
G、最后进行水洗和烘干，烘干的温度120℃，时间25S。
此外，为了保证每个步骤处理后不影响下一个步骤的操作产生药水相互污染和干扰，步骤A、B、C、D、E、F之后进行水洗的步骤，在去离子水中清洗10S左右，同时，将残留在基体表面的去离子水去除干净，进入烘干机烘干，以确保基体表面的镀层干燥洁净。
实施例3
A、进行超声波除油：将功率半导体引线框架引导入超声波脱脂剂中进行超声波除油，利用声波振动使表面覆着的油污疏松脱落，以除去基体表面在冲压时残留的油脂。超声波脱脂剂温度为60℃（摄氏度），超声波脱脂剂溶度为60g/L（克每升），超声波除油时间20S（秒）。
B、进行电解除油：将功率半导体引线框架导入电解除油剂中进行电解除油，利用电解时表面析出氢气使表面覆着的油污脱落，以除去基体表面在冲压时残留的油脂。温度为55℃，电解除油剂的浓度为58g/L，时间16S。
C、进行硫酸中和活化：将功率半导体引线框架导入硫酸溶液中进行酸洗，以中和除去基体表面碱性物质并对基体表面的氧化层进行还原反应。硫酸溶液浓度是3g/L，酸洗时间是15S。
D、进行电镀铜：将功率半导体引线框架导入电镀液中进行电镀铜，所述电镀液各组份的含量具体是：氰化亚铜45g/L、氢氧化钾15g/L、酒石酸钾钠 22g/L、锡酸钠8g/L，Copper Glo Brightener 38：1.6ml/L，所述Copper Glo Brightener 38为罗门哈斯公司生产的碱铜补充剂, 三乙醇胺18g/L，阳极：电解铜板；主要控制点：在镀层中含有0.1-0.5%的锡，使镀层与熔融的锡更容易相互润湿，增加沾锡时的浸润性，提高锡与引线框架表面的相互润湿，保证锡层与芯片沾接的可靠性；增加酒石酸钾钠和补充剂，提高镀铜层的致密度和结晶更细致，保证精压区域的表面可焊性。电镀液温度42℃，电镀时间是16S，电镀电流密度是6安培/平方分米，溶液连续过滤。
E、进行硫酸中和：将功率半导体引线框架导入硫酸溶液中进行酸洗，以中和除去在镀铜时残留在表面的物质。硫酸溶液浓度是1.2g/L，酸洗时间是9S。
F、进行铜保护：将功率半导体引线框架导入保护液中进行附上铜保护膜，保护液中含有铜保护剂，该铜保护剂为美国罗门哈斯公司生产的铜保护剂，其浓度为1.4ml/L，溶液的pH为5.5，温度为38℃，浸泡时间是13S。
G、最后进行水洗和烘干，烘干的温度125℃，时间22S。
此外，为了保证每个步骤处理后不影响下一个步骤的操作产生药水相互污染和干扰，步骤A、B、C、D、E、F之后进行水洗的步骤，在去离子水中清洗10S左右，同时，将残留在基体表面的去离子水去除干净，进入烘干机烘干，以确保基体表面的镀层干燥洁净。
实施例4
A、进行超声波除油：将功率半导体引线框架引导入超声波脱脂剂中进行超声波除油，利用声波振动使表面覆着的油污疏松脱落，以除去基体表面在冲压时残留的油脂。超声波脱脂剂温度为50℃（摄氏度），超声波脱脂剂溶度为60g/L（克每升），超声波除油时间17S（秒）。
B、进行电解除油：将功率半导体引线框架导入电解除油剂中进行电解除油，利用电解时表面析出氢气使表面覆着的油污脱落，以除去基体表面在冲压时残留的油脂。温度为60℃，电解除油剂的浓度为55g/L，时间18S。
C、进行硫酸中和活化：将功率半导体引线框架导入硫酸溶液中进行酸洗，以中和除去基体表面碱性物质并对基体表面的氧化层进行还原反应。硫酸溶液浓度是4g/L，酸洗时间是11S。
D、进行电镀铜：将功率半导体引线框架导入电镀液中进行电镀铜，所述电镀液各组份的含量具体是：氰化亚铜32g/L、氢氧化钾14g/L、酒石酸钾钠22g/L、锡酸钠9g/L，Copper Glo Brightener 38：2.0ml/L，所述Copper Glo Brightener 38
为罗门哈斯公司生产的碱铜补充剂, 三乙醇胺16g/L，阳极：电解铜板；主要控制点：在镀层中含有0.1-0.5%的锡，使镀层与熔融的锡更容易相互润湿，增加沾锡时的浸润性，提高锡与引线框架表面的相互润湿，保证锡层与芯片沾接的可靠性；增加酒石酸钾钠和补充剂，提高镀铜层的致密度和结晶更细致，保证精压区域的表面可焊性。电镀液温度45℃，电镀时间是18S，电镀电流密度是3安培/平方分米，溶液连续过滤。
E、进行硫酸中和：将功率半导体引线框架导入硫酸溶液中进行酸洗，以中和除去在镀铜时残留在表面的物质。硫酸溶液浓度是1.4g/L，酸洗时间是9S。
F、进行铜保护：将功率半导体引线框架导入保护液中进行附上铜保护膜，保护液中含有铜保护剂，该铜保护剂为美国罗门哈斯公司生产的铜保护剂，其浓度为0.65ml/L，溶液的pH为6.5，温度为22℃，浸泡时间是16S。
G、最后进行水洗和烘干，烘干的温度125℃，时间25S。
此外，为了保证每个步骤处理后不影响下一个步骤的操作产生药水相互污染和干扰，步骤A、B、C、D、E、F之后进行水洗的步骤，在去离子水中清洗10S左右，同时，将残留在基体表面的去离子水去除干净，进入烘干机烘干，以确保基体表面的镀层干燥洁净。
本发明提到的g/L和ml/L均是浓度单位。
Claims (9)
1.一种功率半导体器件引线框架的表面处理方法，其特征在于：依次包括超声波除油、电解除油、水洗、硫酸中和活化、水洗、电镀铜、水洗、酸中和、水洗、铜保护、水洗、热水洗和烘干，所述电镀铜的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架导入电镀液中进行电镀铜，所述电镀液包括如下成分：
氰化亚铜 ： 30～50g/L；
氢氧化钾 ： 5～15g/L；
锡酸钠 ： 5～15g/L。
2.根据权利要求1所述的一种功率半导体器件引线框架的表面处理方法，其特征在于：电镀液的温度为40～60℃，电镀时间为10～20S，电镀电流密度为4～6安培/平方分米。
3.根据权利要求1或2所述的一种功率半导体器件引线框架的表面处理方法，其特征在于：所述电镀液中还包括：
酒石酸钾钠 ： 15～25g/L；
三乙醇胺 ： 10～20g/L；
Copper Glo Brightener 38 ：1.0～2.0ml/L。
4.根据权利要求3所述的一种功率半导体器件引线框架的表面处理方法，其特征在于：所述超声波除油的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架导入超声波脱脂剂中进行超声波除油，超声波脱脂剂的温度为50～60℃，超声波脱脂剂浓度为50～60g/L，超声波除油时间为10～20S。
5.根据权利要求3所述的一种功率半导体器件引线框架的表面处理方法，其特征在于：所述电解除油的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架导入电解除油剂中进行电解除油，电解除油剂的温度为50～60℃，电解除油剂的浓度为50～60g/L，电解除油时间为10～20S。
6.根据权利要求3所述的一种功率半导体器件引线框架的表面处理方法，其特征在于：所述硫酸中和活化的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架硫酸溶液中进行酸洗，硫酸溶液浓度为3～7g/L，酸洗时间为5～15S。
7.根据权利要求3所述的一种功率半导体器件引线框架的表面处理方法，其特征在于：所述酸中和的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架导入硫酸溶液中进行中和，硫酸溶液浓度为0.5～1.5g/L，中和时间为6～10S。
8.根据权利要求3所述的一种功率半导体器件引线框架的表面处理方法，其特征在于：所述铜保护的具体工艺要求为：将功率半导体器件引线框架导入保护液中进行浸泡附上铜保护膜，所述保护液中铜保护剂的浓度为0.5～1.5ml/L，保护液的pH值为5～7，温度20～40℃，浸泡时间为10～20S。
9.根据权利要求3所述的一种功率半导体器件引线框架的表面处理方法，其特征在于： 所述烘干的具体工艺要求为：烘干的温度120～140℃，时间为15～25S。
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