JPH03504659A - 銅含有リードフレームに対するプラスチック封入体の粘着度を向上させる方法 - Google Patents

銅含有リードフレームに対するプラスチック封入体の粘着度を向上させる方法

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JPH03504659A
JPH03504659A JP2503237A JP50323790A JPH03504659A JP H03504659 A JPH03504659 A JP H03504659A JP 2503237 A JP2503237 A JP 2503237A JP 50323790 A JP50323790 A JP 50323790A JP H03504659 A JPH03504659 A JP H03504659A
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スパンジャー，キース・ゴードン
フラワーズ，ダーヴィン・レオ
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モトローラ・インコーポレーテッド
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 銅含有リードフレームに対する プラスチック封入体の粘着度を向上させる方法背景技術 発明の分野 本発明は、銅を含有したリードフレーム上に装着されるプラスチック封入デバイ スの製造に関する。ざらに詳しくは、リードフレームに対するプラスチック封入 体の粘着度を向上させ、剥離の発生を減少させる方法に関する。
従来技術の説明 電気産業において、特に電子産業において、銅を含有したリードフレームが電気 部品、特に半導体部品の支持部として多く用いられている。プラスチック封入体 が、完成された素子の環境を保護するために用いられる。
パワー・トランジスタまたはサイリスタは、銅含有リードフレームを用いたプラ スチック封入されたデバイスの代表的な例である。望ましいトランジスタまたは サイリスタを含んだ半導体ダイか、リードフレームのダイ・フラグ部分に装着さ れ、さまざまな接続ワイヤがダイ・ボンディング・パッドとリードフレーム・ボ ンディング・パッドとの間に結合される。次に、プラスチックが半導体ダイを含 みワイヤ間を接続するリードフレームの部分上で成形されて、機械的および環境 的な保護を行う。
多くの場合、特にパワー素子においては、ダイ装着フラグは大きな平らなエリア を有しており、効率的に熱を除去する。この大きなダイ装着フラグはプラスチッ クの封入体を越えて広がっていることもよくあり、あるいは１面を露出させてヒ ート・シンクに容易に付着できるようになっている。また、大きな面積を持つダ イ・フラグがプラスチックによって完全に包囲されて、その部分の絶縁を完全に していることもある。
これらおよび他の、比較的大きな平らな金属領域を持つプラスチック封入された デバイス特有の問題として、プラスチック封入体の金属領域からの剥離がある。
剥離は通常、温度サイクル（たとえば摂氏−６５度から１５０度）後によく起こ り、プラスチック封入体とリードフレームとの間の熱膨張係数差（ＤＴＣＥ）に よって起こる。一般的にＤＴＣＥは、かなりの量の銅（たとえば５０％以上）を 含有するリードフレームを利用している場合に大きくなり、実質的に純銅製のリ ードフレームにおいて特に大きくなる。
過去においてさまざまな機械的特徴（溝、ノツチ、ハツチングなど）を用いて、 プラスチックをリードフレームに固定させ剥離を少なくする方法が用いられてき た。しかし特定の種類のデバイスに対しては、このような機械的特徴は剥離を防 ぐには不十分であるか、あるいは用いることができず、剥離は依然として問題と なっていた。
従来の技術において用いられた他の方法としては、電子部品の装着後封入の直前 にリードフレームを高温還元雰囲気中を通過させて、表面の酸化物を除去しプラ スチックを清浄な金属に直接ボンディングさせる方法がある。しかしこの方法は 余分なコストがかかり、必要な還元雰囲気および／または温度に耐えることので きない多くの部品に用いるには、適切ではない。
他の従来の方法としては、電子部品の装着前に表面酸化物を、特に酸浸漬法によ り除去するもので、その後アクリル・七ツマ−などの有機材料によってリードフ レームをコーティングして、組立および封入作業中の再酸化を防ぐ方法である。
この方法によっても、直接的にプラスチックと金属のボンディングが行われる。
しかしこの方法は余分なコストがかかり、製造に用いるにはより１９１になって しまう。それはモノマーが、限られた時間しかリードフレームの酸化を防ぐこと ができないためである。
従って、本発明の目的は多くの銅を含有するリードフレ強度を向上させ、半導体 およびその他の電子部品に用いることに適した方法を提供することである。
本発明の他の目的は、機械的特徴に依存せず、リードフレーム上の電子部品の組 立中に形成される本来の酸化物に耐性のあるやり方で、改良されたボンディング 強度を提供する方法である。
ここで用いる「活性酸化剤」という後は、酸化剤が解離を起こした雰囲気または 溶液を指すものとする。
発明の概要 上記およびその他の目的と利点は、外部接続のための第１部分と電子部品を受け る第２部分とを有する銅含有リードフレームを設ける段階、リードフレームの７ 二一リング温度よりも低い温度においてリードフレームを活性酸化剤に曝露する 段階およびその後で、リードフレームの第２部分の少なくとも一部をプラスチッ ク封入する段階からなる改良された方法を通じて達成される。
都合良い活性酸化剤は、１０ないし３０％のＨ２Ｏ２を含有する水溶液である。
１ないし３０分の液浸時間が適切であり、５ないし１５分の液浸時間が都合良い 。約摂氏１００度未満の温度が適切であり、空温が便利である。酸化剤は実質的 に塩素を含まないことが望ましい。リードフレームがそのアニーリング温度より も低く保たれるような酸素含有プラズマもまた、適切な活性酸化剤である。活性 酸化剤に曝露する前にリードフレームの脱脂をすることが望ましいが、必要不可 欠ではない。上記の方法の結果、自然酸化物を持ちこの処理を行わなかったリー ドフレームに較べ、プラスチックとリードフレームとのボンディング強度特表千 ３−５０４６５９　（３） はかなり高くなり、剥離は少なくなる。
本発明の方法は、以下の添付図面と解説により、より良く理解されるであろう。
図面の簡単な説明 第１図は、代表的な封入パワー半導体素子の、一部切欠き上面図を示す。
第２図は、剥離を起こした第１図の素子の断面図である。
第３図は、第２図と同様な素子であるが、本発明により剥離を防いだ素子を示す 。
実施例の説明 第１図はプラスチック体１２とリード１４，１６．１８を有する半導体パワー素 子１０の一部切欠き上面図である。
分かりやすくするために、第１図の内部図で露出されるプラスチック体の部分に 斜線を引いである。リードフレームはダイ・フラグ２０から構成され、その上に ボンディング・パッド２４を有する半導体ダイ２２．たとえばトランジスタが装 着されており、ボンディング・パッド２４にはリードフレーム１８のボンディン グ部２８まで伸びているボンディング・ワイヤ２６が接続されている。穴３０が 設けられて、素子１０が適当なヒート・シンク（図示されず）に取り付けられる 。素子１０を製造する手段と方法は、当技術ではよく知られている。
第２図および第３図は、第１図の素子を図示した所定の位置で切断した簡略な断 面図である。分かりやすくするために、第２図および第３図の断面に露出される プラスチック体の部分に斜線を引いて示し、金属リードフレーム、トランジスタ ・ダイおよび剥離気泡には斜線を引いていない。
素子１０は、プラスチック封入体１２が実質的にダイ・フラグ２０を囲むタイプ の素子である。プラスチック封入体１２の部分１３はダイ・フラグ２０下方に位 置しており、ダイ・フラグ２０をヒート・シンクまたは素子１０を装着しようと する他の構造体（図示されず）から絶縁している。
第２図は封入体１２の部分１３とダイ・フラグ２０の下表面との間に剥離が起こ り、その間に気泡３２が形成されてしまった状態を示している。気泡３２はプラ スチック封入体１２かう発生した気体を含んでおり、剥離による断裂が封入体１ ２の外表面まで達している場合は、周囲の雰囲気を含んでいることもある。
銅含有リードフレーム、特に５０％以上の銅を含むリードフレームは、成形前に 周囲の空気に曝露されると、温度サイクルの際に剥離を起こすことがあることが 知られている。特に純粋な銅を含む場合は、これが著しい。温度サイクルは通常 摂氏−６５度から１５０度の範囲において、当技術では既知の手段と方法を用い て行われる。剥離が起こると、素子の熱散逸性が実質的に減少したり、雰囲気中 の汚染源を入れる経路が生じて信頼性を損なってしまうので、非常に望ましくな い。
この剥離は、銅含有リードフレームが室内の空気に曝露された場合に、その上に 形成される薄い自然酸化物の存在に関係があると思われる。プラスチック封入体 とこの薄い自然酸化物との間のボンディングは、同一の封入体と酸化物のない金 属との間のボンディングはど強固でないことは明かである。この自然酸化物は、 約０．００１ないし０゜００４マイクロメータの厚さであると推定される。銅や 銅合金を含有する多くの金属は、通常の空気に曝露されるとこのような自然酸化 物を生成することが知られている。銅は塩素や水分などの物質の存在に対して敏 感であることが知られているので、この自然酸化物の正確な組成と厚みは、金属 の組成と空気中に存在する不純物に依存する。それでも、銅含有リードフレーム 、特に実質的に純粋な銅を含有したリードフレームは、通常の清潔な半導体アセ ンブリ環境に封入される前に大気に曝露すると、上記のような傾向を示してプラ スチック封入体から剥離する。
剥離を起こす性質は、たとえば溝、ノツチなどの機械的係止特徴を持たない封入 体内で、リードフレームおよび／またはダイ・フラグが連続した大きなエリアを 有していることに関連する。ある種の素子では、たとえば第１図ないし第３図に 示されるような素子では、プラスチック封入体が、ダイと熱除去フラグ全体を囲 んでおり、金属とプラスチックとの比較的なめらかな界面のエリアが、プラスチ ツりが熱除去フラグを完全に囲んでいない素子に較へ大きくなっている。このた め、このような素子は剥離を起こす傾向が大きくなる。剥離はリードフレームと プラスチックとの間ではどこでも起こる可能性があるが、ダイ・フラグ２０の底 面でよく起こる。これはこの部分が、比較的なめらかで凹凸のない、最大の金属 領域である場合が多いがらである。
銅含有リードフレームが酸化環境に曝露されることにより前処理を受けると、弱 い自然酸化物が強化され、リードフレームとプラスチックとの間に、改善された ポンディングが得られる。酸化強度を充分に高めるのに必要な温度は、リードフ レームをも焼きなましてしまい、リードフレームが柔らかくなりその目的にもは や使えなくなってしまうので、酸化環境において高温で加熱することは適切では ない。
特に純粋な銅のリードフレームにおいては適切ではない。
自然酸化物がある場合は、リードフレームを短時間で化学的に酸化させて、たと えば活性（解離）酸化剤などに曝露すると、それが強化されて、リードフレーム とプラスチックとのボンディングが良くなることが発見した。このような解離お よび酸化を達成するには、過度の熱は必要ではない。この処置は、ダイ・ポンデ ィングおよびワイヤ・ポンディングの前に行うとよい。これはこの処置がこのよ うな作業を妨害しないことがわかっているためである。すなわち、上記の処置に よりどの様な表面変化が起こっても、既知の手段による半導体ダイ上の装着や、 さまざまなワイヤをそこにボンディングすることが阻止されたり、難しくなるこ とはないためである。これは、本発明の特に有益な特徴である。なぜなら、この 特徴のために、リードフレームに対するプラスチックの粘着度を向上させる方法 を、繊細な半導体や接続ワイヤをその上に装着する前に、また組み立て工程に支 障をきたすことなく行えるからである。しかし、半導体やその他のリードフレー ム上の部品が、活性酸化剤処置により悪影響を与えられないかぎり、この段階は カプセル封入前のどの時期に行ってもよい。
Ｈ２Ｏ２が、適切な酸化剤でおることがわかっている。
銅のリードフレームを１０ないし３０％のＨ２Ｏ２水溶液に数分間、室温で浸漬 することにより、ホンディング強度が増し剥離が減少する。Ｈ２Ｏ２を解離させ るその他の希釈液を用いてもよい。浸漬時間はコないし３０分が有効で、コない し２０分が都合良く、５ないし１５分が好ましい。
この処置により、約０．００５ないし０．０５マイクロメータの厚みを持つ酸化 物ができると信じられる。この処置は、溶液を水の沸点付近まで加熱することに より促進されるが、溶液の寿命はそれに対応して短くなる。
リードフレームが表面に炭化水素膜を蓄積させるような環境にあった場合は、化 学酸化段階に先立ち、予備の脱脂段階を行うことが望ましい。イソプロピル・ア ルコールに短時間浸すとよいが、他の既知の脱脂法を用いてもよい。
酸素を含有しているプラズマもまた、リードフレームとプラスチックのボンディ ング強度を向上させるのに有効であると信じられる。プラズマにより、酸化剤が 解離されてリードフレーム金属および／または自然酸化物とすばやく反応できる 雰囲気が生ずる。リードフレームが比較内冷たい、すなわちアニーリング温度よ りも充分に低い温度に保たれるようなパワー・レベルでプラズマを反応させるこ とが好ましい。
半導体部品と共に用いるためのリードフレームについては、プラズマまたは実質 的に塩素を含まない溶液による酸化処理を用いることが望ましい。これは残留塩 素が素子の信頼性に悪影響を与えるためである。
上記に解説した方法は、リードフレーム金属中の銅濃度が高いほど効率が高くな り、有効な銅濃度は約５０％以上で、実質的に純粋な銅のリードフレームでは特 に有効である。
実施例 リードフレームは当技術においてはリードフレーム用としてよく知られている０ ｌｉｎ−１９４タイプの銅からエツチングされたもので、（１２，７ｍｍ＞０． ５インチ中心上に、３Ｘ９個の正方形を配列させたものである。リードフレーム は受は取られた（空気に曝露された）ままの状態で、さまざまな処理、すなわち 紫外線を発生させたオゾンへの曝露、有機粘着促進剤の塗布および３０％の１− （２０２内での上記の処置の後で、試験を行った。Ｎ　ｉ　ｔ　ｔｏ−４４Ｐ１ ８０タイプの対人材料プラスチックのプラスチック・ボタン、これも当技術では よく知られているが、このボタンを従来の手段を用いてリードフレームの各正方 形上に成形した。引き管をエポキシ・セメントにより、成形された各プラスチッ ク・ボタンに取り付けた。次に、成形されたプラスチック・ボタンを銅から引っ 張って取り去り、必要な力を測定した。
これを引っ張り強度と呼ぶ。１４の成形ショットから約２００のサンプルの引っ 張り試験を行った。１０種のサンプルの引っ張り試験値の標準偏差値は、通常、 平均値の約１／２であった。
未処理のく空気に曝露された）コントロール・サンプルは約６．７ないし２２ニ ユートン（１，５ないし５ポンド）の引っ張り強度値を示し、平均は約１４．４ ニユートン（３，２５ポンド）であったのに対し、Ｈ２Ｏ２で処理されたサンプ ルは、約３１ないし５８ニユートン（７ないし１３ポンド）の引っ張り強度を示 し、平均は約４１．８ニユートン（９，４ポンド）でめった。その他のすべての 処理で慢、コントロール・サンプルとほぼ同じ範囲の引っ張り強度値を示した。
空気に曝露されたコントロール・サンプルが製造に普通に用いられ、また空気に 曝露されるリードフレームの条件を代表しているものと思われる。上記の町０２ 処理を受けたリードフレームを用いて組み立てた素子では、このような処理を受 けていない普通のリードフレームを用いて組み立てた素子に比較すると、温度サ イクル後の剥離の割合がかなり減少することもわかった。上記のＨ２Ｏ２処理を 用いた結果を第３図に示すが、ここでは剥離は起こらず、空隙３２も形成されな かった。
本発明の他の利点は、本発明の低温酸化リードフレームが、処理と利用との間に 時間差があってもその間の変化に敏感に反応しないことである。これは、たとえ ば従来の有機酸化抑制剤を用いて処理したリードフレームを用いた方法と対照的 である。これは、空気が層を貫通して金属表面に達し、そのように処理されたリ ードフレームが生産の遅れに敏感なためである。
上記の過酸化物の処理のさらに他の利点は、たとえばスポット・メッキなどによ り部分的にニッケルをコーティングされた銅および／または銅合金リードフレー ムと組み合わせて用いた場合にみられる。ニッケルは、たとえば、リードフレー ムのワイヤ・ボンディング領域上の被膜としてよく用いられる。たとえば第１図 のワイヤ２６が付着している位置２８および／またはリード１４，１６．１８の 外側部分などである。ニッケル表面は、ボンディングおよび／または接合性を向 上させる。銅または銅合金リードフレームに対するプラスチック粘着度を向上さ せるだけでなく、過酸化物による処理は同時にニッケル表面から酸化物および／ またはその他の腐食生成物を除去することが観察されている。ニッケル表面から 酸化物および／またはその他の腐食生成物を除去することにより、ニッケル表面 に対するボンディングおよび／または接合性が向上する。特にニッケルでコーテ ィングされたリードフレーム上のニッケル洗浄と、プラスチックの粘着度が促進 される効果の組合せは、予想外のものであり、特に有効である。
以上、本発明を説明してきたが、リードフレームとプラスチックの対人材料との ボンディング強度の向上が、本発明の方法により達成されること二発明された方 法は特に簡便で効果的であり、半導体部品への使用に適していること；向上され たボンディング強度が機械的なプラスチック固定機能に依存するものでなく、滑 らかな凹凸のない表面において機能すること；発明された方法は封入前に通常の 電子アセンブリ環境に曝露されていた銅を含むリードフレームに存在する自然酸 化物に耐性のあるものであること；発明された方法は還元雰囲気、溶液による前 処理や、有機上ツマ−などによるリードフレーム表面の保護を必要としないこと ：そしてさらに発明された方法は、発明による処理後や封入前にリードフレーム 上で行われる、後のダイ・ボンディングおよび／またはワイヤ・ボンディングに 支障をきたさず、リードフレームの処理とその利用に時間差があってもその間の 変化に敏感でないこと；が当業者には明白である。
国際調査報告 °“０゛１°゛１“１””””””　　ＰＣＴ／ＩＪＳ９０１０Ｏ１１Ｑ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. １．プラスチックで封入された電気部品における剥離を減少させる方法であって ： 外部接続を行う第１部分と電気部品を受ける第２部分とを有するリードフレーム であって、前記第２部分の一部が露出した銅および露出したニッケルを有すると ころのリードフレームを設ける段階； 前記リードフレームをリードフレームのアニーリング温度よりも低い温度におい て液体またはプラズマの酸化剤に曝露し、１回の操作で同時に前記の露出した銅 を酸化させかつ露出したニッケルを洗浄する曝露段階；およびその後、前記リー ドフレームの前記第２部分の前記一部をプラスチック封入材に封じ込める段階； によって構成されることを特徴とする方法。
  2. ２．前記のリードフレームを段ける段階における前記第２部分の一部が、露出し た光沢銅および露出したニッケルを有し；かつ 前記曝露段階が、リードフレームを１０ないし３０％のＨ２Ｏ２水溶液に１ない し３０分間曝露する段階から構成される； ところの、請求項１記載の方法。
  3. ３．前記酸化剤が実質的に塩素を含まないところの、請求項１記載の方法。
  4. ４．前記曝露段階が、リードフレームを酸素を含むプラズマに曝露する段階から 構成されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
  5. ５．電子素子用のリードフレームを処理して、それに対するプラスチック封入材 の粘着度を向上させる方法であって：その上に露出した光沢銅を有するリードフ レームを設ける段階であって、前記リードフレームがその上に自然酸化物を有す るところの段階；および リードフレームを、実質的に塩素を含まない１０ないし３０％のＨ２Ｏ２溶液に 約摂氏１００度未満の温度において、１ないし２曝露分間曝露することにより、 前記の露出した銅をさらに最化させる段階； によって構成されることを特徴とる方法。
  6. ６．リードフレーム上の電子素子を封入する方法であって：空気に曝露された実 質的に露出している銅と実質的に露出しているニッケルを有するリードフレーム を設ける段階；約摂氏１００度未満の温度において酸化ニッケルが溶解するよう なニッケルと銅の酸化剤に浸すことにより、銅をさらに酸化させ同時にニッケル を洗浄する段階；リードフレーム上のニッケルに接続リードをボンディングする 段階；および リードフレームの部分に接するアラスチック封入体を成形する段階； によって構成されることを特徴とする方法。
  7. ７．前記の銅をさらに酸化させ同時にニッケルを洗浄する段階が、実質的に塩素 を含まない銅の酸化かつニッケルの洗浄剤にリードフレームを曝露する段階から 構成されるところの、請求項６記載の方法。
  8. ８．前記の銅をさらに酸化させ同時にニッケルを洗浄する段階が、１０ないし３ ０％のＨ２Ｏ２溶液にリードフレームを曝露させる段階から構成されるところの 、請求項７記載の方法。
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