专利名称：电镀膜及其形成方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于半导体芯片的端子和连接器的端子的电镀膜及其形成方法。
背景技术：
锡铅焊料电镀已被用于连接器的端子、半导体集成电路的引线框等。然而，按照环境保护的观点，近些年来使用锡电镀、锡铜合金电镀、锡铋合金电镀、锡银合金电镀和其它等等不含铅的电镀取代了锡铅焊料电镀。例如，在专利文献1(日本特开平No.2001-26898)中公开了采用锡铜合金电镀的技术。
然而，当形成由上述不含铅的合金构成的膜时，在使用等过程中容易形成须状的锡晶体也就是所谓的晶须。如果有晶须生成和生长，在相邻的电极之间可能发生电性短路故障。此外，晶须的直径很小，大约1μm，它的长度可达1000μm或更长。因此，晶须可能脱离膜而分散开。如果晶须分散，则可能导致器件内/外部的电性短路故障。
顺便提及，电镀膜的内应力和外应力可列为生成晶须的原因之一。作为内应力，可以列举出由于与基体金属的晶格常数的不匹配，在基体金属(例如，铜原子)与锡、包覆金属内的光泽剂或类似物之间发生扩散反应而生成金属间化合物所导致的应力。另一方面，作为外应力，可以列举出在引线框中，电镀或类似处理后进行弯曲处理和冲压处理时受到的应力，以及对于连接器，当在端子或类似物实现接触时受到的应力。
通过进行使用光泽剂成分极少的电镀液的无光泽电镀或半光泽电镀可以减少内应力。另外，已证实，电镀后在大约150℃温度下进行热处理减少了应力，从而抑制了晶须的产生。此外，由镍或类似物构成的扩散阻挡层被预先电镀在基体金属上能有效地抑制金属间化合物的生长。
如上所述，已经有了抑制伴随内应力的晶须生长的方法，但是还没有抑制伴随外应力的晶须生长的方法。因此，还不能说已经能完全克服短路等故障，因为，即使能够抑制伴随内应力的晶须生长，但是伴随外应力的晶须生长还不能被抑制。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够有效抑制伴随外应力的晶须生长的电镀膜及其形成方法。
本发明的申请人经过努力研究解决了上述问题，并提出如下所述的多个实施例。
根据本发明的电镀膜，是在衬底表面上形成的由锡或锡合金构成的电镀膜，其中，在膜中的晶粒之间存在间隙部分。
根据本发明的形成电镀膜的方法，将衬底浸入在电镀液中，之后把衬底作为阴极执行该电镀液的电解。此时，待加入电镀液中的表面活性剂的浓度设为10g/L或更低，流过阴极的电流设为2.5A/dm2或更大。
图1为示出包括根据本发明实施例的电镀膜的引线框的示意图；图2为引线框的剖面图；图3为PGA封装的外观示意图；图4为SOP的外观示意图；图5A为公连接器的外观示意图；图5B为母连接器的外观示意图；以及图6为USB连接器的外观示意图。
具体实施例方式
在下文中，参照附图具体描述本发明的实施例。图1为示出包括根据本发明实施例的电镀膜的引线框的示意图。另外，图2为示出该引线框横截面结构的剖面图。
上面将要安装半导体芯片的芯片焊盘(die pad)1被设置在引线框10中，在其周围形成沿径向扩展的多个孔4a。在相邻的孔4a之间形成内引线部分2。另外，在孔4a的外侧形成多个孔4b，并且在相邻的孔4b之间形成外引线部分3。
另外，如图2所示，在衬底11的前表面和后表面上形成了由锡或锡合金构成的锡电镀膜13，从而构成引线框10。锡合金可以是例如锡铜合金(以质量百分比计，铜含量为2％)、锡铋合金(以质量百分比计，铋含量为2％)和类似的合金。衬底11是由例如铜合金或类似材料构成。在锡电镀膜13中，不规则地排列着多个晶粒12。另外，在本实施例中，在锡电镀膜13中存在多个间隙部分14。顺便提及，在图2中，各晶粒12的形状是椭圆形的，但是其实际形状是多边形，曲线与多边形的结合，或类似形状。
如上所述组成的引线框10，在半导体芯片固定在芯片焊盘1上之后，在半导体芯片端子和内引线部分2之间进行接合。随后，切割孔4a和孔4b之间的部分。在将半导体芯片和内引线部分2进行密封之后，对外引线部分3和类似区域进行弯曲处理。这样就实现了PGA(针栅阵列)封装或类似封装。在图3中，示出了PGA封装的外观。在PGA封装中，引线端子22从外壳21处以彼此相同的方向延伸，外壳21由陶瓷或类似材料构成。另外，如果改变引线框的图案，也可以实现如图4所示的SOP(小外形封装)或类似的封装。在SOP中，多个引线端子32从外壳31(具有矩形的平面形状)的两个长边向外延伸。
当形成传统的电镀膜时，通过弯曲处理时引起的外应力容易生成晶须。相反地，在本实施例中，即使进行了弯曲处理或类似处理，但是由于在锡电镀膜13中存在间隙部分14从而减少了外应力。因此，伴随外应力的晶须生长得到抑制。
顺便提及，间隙部分14的最大直径优选为锡电镀膜13厚度的50％或更小。这是因为，如果间隙部分14的最大直径超过锡电镀膜13的厚度时，由于机械阻力不足以抵抗外应力而导致锡电镀膜13受到破坏。
另外，从机械阻力的观点来看，如果限定电镀膜的硬度，那么通过纳米压痕方法测得的电镀膜的硬度优选为150Mpa至400Mpa。如果电镀膜的硬度小于150Mpa，则机械阻力不足，如果电镀膜的硬度大于400Mpa，则很容易受到外应力的影响。
另外，锡电镀膜13中的间隙部分14的体积比优选为5％至30％。如果间隙部分14的体积比小于5％，则不能产生减少外应力的效果，而如果间隙部分14的体积比大于30％，则阻力可能变得不足。
在形成如上所述的含有间隙部分的锡电镀膜的电镀方法中，例如，加入电镀液中的表面活性剂的剂量设定为10g/L或更小，而电流密度设为2.5A/dm2或更大。如果加入的表面活性剂大于10g/L，则形成的电镀膜变得致密，并且间隙部分容易缩短。另外，当电流密度设为小于2.5A/dm2时，构成电镀膜的晶格直径变小，并且间隙部分容易缩短。在电镀方法中，将衬底(被电镀的材料)作为阴极来电解电镀液。顺便提及，作为表面活性剂，可以使用例如非离子表面活性剂、阳离子表面活性剂、阴离子表面活性剂和两性表面活性剂等等。以下列出可用的表面活性剂的例子，然而，并不限于这些。
作为非离子表面活性剂，可以列出聚氧化烯烷醚(polyoxyalkylenealkylether)、聚氧化烯萘醚(polyoxyalkylene naphthylether)、聚氧化烯双酚醚(polyoxyalkylene bisphenol ether)、聚氧乙烯-聚氧丙烯嵌段聚合物(polyoxyethylene polyoxypropylene block polymer)、聚氧化烯山梨糖醇酐脂肪酸酯(polyoxyalkylene sorbitan fatty acid ester)、聚氧化烯甘油脂肪酸酯(polyoxyalkylene glycerin fatty acid ester)、聚氧化烯烷基胺(polyoxyalkylenealkylamine)、聚氧化烯烷基苯基甲醛缩聚物(polyoxyalkylene alkyl phenylformalin condensate)、氧化乙烯烷基胺(oxyethylene alkylamine)等。
作为阳离子表面活性剂，可以列出烷基三甲基卤化铵(alkyl trimethylammonium halide)、羟乙基烷基咪唑啉(hydroxyethyl alkyl imidazoline)、二烷基二甲基卤化铵(dialkyl dimethyl ammonium halide)、烷基二甲基苯甲基卤化铵(alkyl dimethyl benzyl ammonium halide)、烷基胺氢氯化物(alkylamine hydrochloride)、烷基胺醋酸盐(alkyl amine acetate)、烷基胺油酸盐(alkyl amine oleate)和烷基氨基乙基甘氨酸(alkyl aminoethyl glycine)等。
作为阴离子表面活性剂，可以列出脂肪酸皂(fatty acid soap)系列表面活性剂、烷基磺酸酯(盐)(alkyl sulfonate)、α烯烃磺酸酯(盐)(alpha olefinsulfonate)、烷基二苯醚二磺酸酯(alkyl diphenyl ether disulfonate)、聚氧乙烯烷基醚硫酸酯盐(polyoxyethylene alkylether sulfuric ester salt)、高级醇磷酸单酯盐(higher alcohol phosphoric monoester salt)、聚氧化烯烷基醚磷酸(polyoxyalkylene alkylether phosphoric acid)(聚氧化烯烷基醚磷酸酯(polyoxyalkylene alkylether phosphate))、聚氧化烯苯基醚磷酸酯(polyoxyalkylene phenyl ether phosphate)、聚氧乙烯烷基醚醋酸酯(polyoxyethylene alkylether acetate)、烷酰基甲基丙氨酸盐(alkanoylmethylalanine salt)、N-酰基磺基羧酸酯(N-acyl sulfocarboxylate)、磺基醋酸烷基酯(alkyl sulfoacetate)和磺基丁二酸单油酸酰胺盐(sulfosuccinicmonooleylamide salt)等。
作为两性表面活性剂，可以列出2-烷基-N-羧甲基(或乙基)-N-羧甲基氧乙基咪唑甜菜碱(2-alkyl-N-carboxymethyl(or ethyl)-N-carboxymethyloxyethyl imidazolynium betaine)、二甲基烷基甜菜碱(dimethyl alkyl betaine)、N-烷基-β-氨基丙酸(N-alkyl-beta-aminopropionicacid)(或其盐)和烷基(聚)氨基乙基甘氨酸(alkyl(poly)aminoethyl glycine)等。
作为用于锡电镀处理的锡盐或锡合成物，可以使用例如无机酸盐(salt ofinorganic acid)如硫酸锡(tin sulfate)、氟硼酸锡(tin fluoroborate)、氢氟硅酸锡(tin hydrofluorosilicic acid)、氨基磺酸锡(tin sulfamate)、锡酸盐(tin stannate)和焦磷酸锡(tin pyrophosphate tin)等。另外，也可以使用脂肪族磺酸盐(aliphatic sulfonate)，例如甲基磺酸锡(tin methanesulfonate)、磺基琥珀酸锡(tin sulfosuccinate)等。此外，也可以使用具有羧基(carboxylgroup)的化合物盐，例如琥珀酸锡(tin succinate)、丙二酸锡(tin malonate)和葡萄糖酸锡(tin gluconate)等。
另外，选自光滑剂、光泽剂、PH缓冲剂和/或导电盐中的一种或两种或更多种可以加入电镀液中。
顺便提及，在电镀处理前，优选地对衬底(被电镀的材料)进行阴极电解脱脂处理和化学抛光。此外，在阴极电解脱脂处理和化学抛光之后，优选地对衬底进行清洗。作为电解脱脂剂，可以使用例如，由Meltex co.Ltd(美录德有限公司)制造的清洁剂160。作为抛光剂，可以使用例如，由MitsubishiGas chemical company Inc.(三菱瓦斯化学株式会社)制造的50％的CPB40。
间隙部分不必完全是空腔，其中可以存在精细颗粒，例如树脂颗粒或陶瓷颗粒。例如，树脂粉末或陶瓷粉末被加入电镀液中，在形成电镀膜的同时这些颗粒将会沉淀以形成所述锡电镀膜。通过使这些颗粒分散在锡电镀膜中，从而在锡电镀膜中形成不连续的晶界，因此减少了外应力。如上所述，如果能减少外应力，除了树脂颗粒或陶瓷颗粒之外还可以使用其它颗粒。
顺便提及，在上述的实施例中，锡电镀膜形成在引线框的表面上，但是，锡电镀膜形成于其上的对象并不限于引线框。例如，锡电镀膜可以形成在连接器端子的表面上。作为连接器，可以使用例如，图5A所示的公连接器41、图5B所示的母连接器51、图6所示的USB(通用串行总线)连接器61等等。
例如，在进行弯曲处理和类似处理之后在连接器上形成锡电镀膜，因此，在弯曲处理时外应力不会影响锡电镀膜，但是当连接器与目标啮合实现连接时外应力可能影响锡电镀膜。即使在这种情况下，如果形成如同上述实施例的适当的间隙部分，晶须也难以产生。
顺便提及，在连接器端子上形成的锡电镀膜的厚度一般为大约3μm。这是因为在该厚度时能够实现好的啮合。与引线框的情况相同，如果锡电镀膜的厚度为大约3μm，则间隙部分的最大直径优选为大约1.5μm，即锡电镀膜厚度的一半。另外，不论用于那种端子，电镀膜的厚度优选为2μm-3μm。如果厚度小于2μm，就会出现不能充分发挥电镀膜作用(保护衬底等)的情况。如果厚度大于3μm，则容易发生厚度变化。另外，作为电镀基体材料，没有特殊限制，可以使用42合金材料、黄铜材料、磷青铜材料、铍铜材料、铜材料、镍材料等。此外，可以使用由在衬底表面上形成的镍电镀膜、铜电镀膜或类似物组成的电镀基体材料。
下面，对本申请的发明人实际进行的试验进行描述。在该试验中，将具有由磷青铜制成的40针引线端子作为电镀基底。
首先，作为电镀的预处理，进行阴极电解脱脂处理。由美录德有限公司制造的清洁剂160用作电解脱脂剂。在脱脂处理中，处理温度设为65℃，电流密度设为2.5A/dm2，处理时间设为30秒。在阴极电解脱脂处理完成之后，清洗衬底。
接着，将衬底化学抛光。由三菱瓦斯化学株式会社制造的50％的CPB40用作抛光剂。在化学抛光过程中，抛光剂的温度设为接近室温，浸润时间设为20秒。在化学抛光完成之后，清洗衬底。
随后，对衬底进行电镀处理，从而形成锡电镀膜。在电镀处理中，温度设为30℃，处理时间设为20秒。另外，锡电镀膜的厚度为大约3μm。电镀处理过程中所用的电镀处理液的成分如表1所示。顺便提及，电镀处理液中含有甲醇以使甲基磺酸锡、甲基磺酸(methane sulfonic acid)和聚氧化烯双酚醚均匀地分散。
表1
表2
对形成有锡电镀膜的连接器引线端子进行了晶须的测定。在测定中，将公连接器和母连接器彼此啮合后在室温下放置2000小时。然后，使用放大倍数为100倍的显微镜观察各样品的表面。如果发现晶须，则使用更高放大倍数的显微镜进行详细观察。结果如表2所示。
如表2所示，在比较实例中(其中，在锡电镀膜中不存在间隙部分)，生成大量的晶须。在实例1中，因为间隙部分的比例小，所以也生成了晶须，但数量很少。另一方面，在实例6中(其中，间隙部分的比例大于30％)，能够完全阻止晶须的生成，但是电镀膜的硬度低。从这些结果也可以得出，间隙部分的比例优选为5％-30％。
根据本发明，即使外应力对电镀膜起作用，间隙部分也能减少外应力。因此，能够抑制伴随外应力的晶须生长。
权利要求
1.一种电镀膜，由锡或锡合金构成，形成在衬底表面上，在所述电镀膜中的晶粒之间存在间隙部分。
2.如权利要求1所述的电镀膜，其中，所述间隙部分占所述电镀膜的体积百分比为5％至30％。
3.如权利要求1所述的电镀膜，其中，所述间隙部分的最大直径是所述电镀膜厚度的50％或更小。
4.如权利要求1所述的电镀膜，其中，使用纳米压痕方法测得的硬度为150MPa至400MPa。
5.如权利要求1所述的电镀膜，其中，所述电镀膜的厚度为2μm至3μm。
6.如权利要求1所述的电镀膜，其中，在所述间隙部分中存在精细颗粒。
7.一种电子元件，包括衬底；电镀膜，由锡或锡合金构成，形成在所述衬底表面上，在该电镀膜中的晶粒之间存在间隙部分。
8.如权利要求7所述的电子元件，其中，所述间隙部分占所述电镀膜的体积百分比为5％至30％。
9.如权利要求7所述的电子元件，其中，所述间隙部分的最大直径是所述电镀膜厚度的50％或更小。
10.如权利要求7所述的电子元件，其中，通过纳米压痕方法测得的所述电镀膜的硬度为150MPa至400MPa。
11.如权利要求7所述的电子元件，其中，所述电镀膜的厚度为2μm至3μm。
12.如权利要求7所述的电子元件，其中，所述间隙部分中存在精细颗粒。
13.一种形成由锡或锡合金构成的电镀膜的方法，包括步骤将衬底浸入在电镀液中，将加入到所述电镀液中的表面活性剂的浓度设为10g/L或更低；以及用所述衬底作为阴极执行所述电镀液的电解，流过所述阴极中的电流设为2.5A/dm2或更大。
全文摘要
锡电镀膜，由锡或锡合金构成，形成在衬底的前表面和后表面上以构成引线框。锡合金可以是例如锡铜合金(以质量百分比计，铜含量为2％)、锡铋合金(以质量百分比计，铋含量为2％)和类似的合金。衬底是由例如铜合金或类似物构成。在锡电镀膜中，无规则地排列着多个晶粒。另外，在锡电镀膜中存在多个间隙部分。即使后来执行弯曲处理或类似的处理，由于在锡电镀膜中存在间隙部分，外应力减少。因此，伴随外应力的晶须生长得到抑制。
文档编号C25D3/60GK101041903SQ20061010578
公开日2007年9月26日 申请日期2006年7月25日 优先权日2006年3月24日
发明者作山诚树 申请人:富士通株式会社