专利名称：铅框架和用于铅框架的铜合金的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于树脂密封型包装的铜合金铅框架，和具有新的表面结构的铜合金。
其中半导体薄片被热固化树脂密封的树脂密封型包装，最常作为半导体设备的塑料包装，因为制备此类型的包装具有经济和生产效率方面的优势。通常，最常使用的塑料包装结构是双重内联包装(DIP)，它是一种铅插入式包装。为增加表面包装密度，此包装已越来越多的被诸如小轮廓包装(SOP)和铅块平面包装(QFP)及类似的包装类型所取代。经常使用QFP，因为输入和输出信号在QFP中可以增加。随着最近对降低电子元件体积的需要，出现了此类薄的包装如1mm厚度的薄的小轮廓包装(TSOP)和薄的铅块平面包装(TQFP)，和0.5mm厚度的极小轮廓内联包装(USOP)。
装配所有这些包装过程中，通常进行以下操作。将半导体薄片借助于银糊(Agpaste)或类似物热焊接在铅框架上。或者将半导体薄片固化或银钎焊在用于铅框架上的金或银电镀层上。随后用树脂密封并进行外部工序。通过在外部铅上电镀而将外平面镀膜，目的在于增加铅的抗腐蚀能力和有利于在基底上快速装配。在外表镀膜前用化学抛光剂进行预处理，以除去在前面方法中形成的任何氧化膜，也即是说，当树脂固化时将外部的铅加热。用化学抛光剂除去几个μm的厚度。使用具有好的可湿性的焊接剂作为外镀膜的材料。焊接剂在由重量63％Sn和37％Pb组成时具有低共熔点。焊接剂的最低熔点是183℃，在此共熔点有最高的可湿性。在修整(trimming)过程中要对外部的铅进行摩擦。焊接剂必须足够坚硬以不致在修整时形成固体颗粒。因此将所用焊接剂中Sn的含量定在重量的80-90％。
有关这些包装的可靠性的一个严重问题，是在表面封固时包装出现裂缝和剥落。当装配半导体包装时，如果在树脂和冲模焊接点(die pad)(铅框架的部分，在此处将半导体薄片封固)之间的粘合很少，过热的处理将导致在它们之间产生热破裂。这是包装剥落的机理。认为包装产生裂缝的机理是在装配半导体包装后，模塑的树脂吸湿，所吸收的水分在快速表面包装的加热过程中蒸发。如果在包装中有裂缝，水蒸气在包装的这些裂缝中产生压力。这是作用于剥落的表面的内压力并导致裂缝扩大。如果树脂经受不住内压力，树脂会裂化。当在表面封固的包装上形成裂缝时，湿度、杂质及类似物侵入半导体薄片组件中，因此将半导体腐蚀，继续发展形成损害。膨胀的包装导致外表的破坏，并丧失商业价值。最近，诸如包装裂缝并剥落的这类问题随着较薄包装的发展而变得严重。
包装裂缝问题可归因于树脂和冲模焊接点(die pad)之间的连接失败。因为在包装的封闭过程中，铅框架材料在如冲模-压焊和线-压焊等树脂封闭之前要经受各种热处理，在铅框架材料的表面形成数十至数千nm厚度的氧化膜。这些氧化膜对树脂在铅框架材料上的附着产生严重的影响。
偶然，一种表示为42％Ni-Fe的铁-镍合金及一种铜合金被作为铅框架材料。因为42％Ni-Fe合金的热膨胀系数接近于陶瓷，因此用这些合金作为陶瓷包装的材料。也用42％Ni-Fe作为塑料包装的高可靠性的材料。然而，不利的是铁-镍合金的电导率比铜合金低。铁-镍合金因此不适于作为需要增加热耗散和信号传导速度的现代包装。在这一方面，因为铜合金具有高的电导率，它在热耗散和信号高速传导方面具有优势。铜合金因此能够用于设计可靠性高的包装。
附着于铜合金的氧化膜次于附着于铁-镍合金的氧化膜。因此剥落易发生于树脂和铜合金的冲模焊接点(die pad)之间。因此在用铜合金作为铅框架时易于发生包装裂缝和剥落问题。为生产可靠性高的包装，因此必须发展附着有高级氧化膜的铜合金。
铅框架材料也需要以下的特性。首先，铅框架材料必须比较薄以满足包装变薄的要求。最近，最常使用的薄片的厚度是0.15mm和0.125mm。因为铅框架如上所述变薄和变窄，则整个铅框架和铅的刚性降低。结果，内部铅在装配过程中会发生变形，外部铅在装置封固过程中会发生变形。铅框架材料必须有高的刚性以防止外部和内部铅的变形。提供铅框架模式的蚀刻术描绘了铅框架材料的轮廓。因此需要刻蚀特性。另外，需要可压制性。进而，因为在封固过程中对铅框架进行焊接，铅框架的焊接点的部分必须具有高的可靠性。铅框架材料需要如上所述的多方面的特性。
本发明的一个目的是提供一种铜合金铅框架，它附着有改进的氧化膜，并可以解决包装裂缝和剥落的问题，并可增强热散失特性，提高包装的运动速度。
本发明的一个目的也是提供一种有新的最上表层结构的铜合金。
本发明加强研究了不经过如采用抛光除去氧化膜的铜合金的氧化膜附着，和材料最上表面层的结晶取向之间的关系。意外地发现，可以通过控制铜合金的最上表面层的结晶取向促进氧化膜的附着。该特殊方法在下文描述。
根据本发明，它提供一种有增强的氧化膜附着的铜合金铅框架，此铅框架的材料包括用XRD薄膜法评价的大量最上表层，其中所述最上表层的铜合金结晶具有{100}相对于{111}的不多于0.04的峰强度比率。
用树脂封闭的任何类型的铅框架可以具有创造性的结晶取向。然而优选这样一种铅框架，即在树脂封闭前，用一种新的金属或镍在有半导体裂缝的接合表面镀膜。
任何能够用于铅框架的铜合金可以具有创造性的结晶取向。含有各种组分的铜合金，如颗粒分散型合金和沉淀固化(precipitation-hardening)型合金可以有特性征的结晶取向。
特别优选的铜合金含有由重量百分率表示的下列组成。一种铜合金含有0.04-0.4％Cr,0.03-0.25％Zr,0.06-2.0％Zn，剩余的为Cu和不可避免的杂质。一种铜合金含有0.04-0.4％Cr,0.03-0.25％Zr,0.06-2.0％Zn，和0.01-1.0％至少一种选自Ni、Sn、In、Mn、P、Mg和Si的元素。一种铜合金含有0.04-0.4％Cr,0.03-0.25％Zr,0.06-2.0％Zn，和0.1-1.8％Fe,0.1-0.8％Ti。一种铜合金含有0.04-0.4％Cr,0.03-0.25％Zr,0.06-2.0％Zn，和0.1-1.8％Fe,0.1-0.8％Ti,0.01-1.0％至少一种选自Ni、Sn、In、Mn、P、Mg和Si的元素。
参考附图更详细地解释本发明。
图1表示最上表层评价方法图2表示用通常方法的X-射线衍射方法图3表示用薄膜法的X-射线衍射方法按本发明的采用薄膜法的XRD(X-射线衍射法)测定铅框架的最上表层的结晶取向。如可以使用一种X-射线衍射装置(Rigaku Denki Co.,Ltd.-理学电气(株)制造的RINT2000)。如图1所示，使样品接受从Co灯泡以5°入射角(α)发出的X-射线。扫描表面2θ与样品垂直，并包括一滚动方向(RD)。在进行2θ扫描时，测定从{111}平面和{200}平面的衍射线。观察{111}和{200}平面的积分强度，然后计算其相对比率以进行评价。
在通常的X-射线衍射测定中，如从图2所见，照射到样品的入射角和从样品产生的反射角保持相等。在实际的装置中，作为X-射线源的灯泡是固定的。样品表面和电灯泡以这样一种方式旋转，即如果入射线和样品表面的角度是θ时，则入射线和计数灯泡之间的角度为2θ。接受测定的表面一直平行于样品表面。
在薄膜法的情况下，入射角固定，表示为入射角α，以区别于θ。也使用角度2θ以表示计数灯泡相对于入射线的相对位置。此相对位置与通常方法的相同。薄膜法与通常法不同之处在于所测定的照射表面不是平行于样品的表面，而是根据2θ而变化，因为照射到测定表面的入射角和从测定表面产生的反射角变得相等。
因为滚动的轧辊在最上表层产生大的摩擦力，其结晶取向不同于X射线源大多数的结晶取向。上述薄膜法对于评价最上表层的结晶取向是必须的。
对于滚动的铜合金的结晶取向，早已知道主要的滚动取向是(110)[112](金属物理的发展，1,Bruce Chalmers,1949,p297)。
最近确定的滚动取向的测量更为复杂，表示为(123)[412]+(146)[211](H.Hu和S.Goodman:Trans.AIME,227(1963)(627))。在这些测定中，从表面射入数10μm的X-射线，将阐明大部分滚动面的几乎所有一般特征。然而，从表面起约1μm的最上表层的结晶取向，还未进行研究。另外，还未研究最上表层的滚动取向和所附着的氧化膜之间的关系。没有关于表面层的结晶取向的知识。
发现可以通过控制工作过程的滚动条件得到上述结晶取向，即最终冷辗过程，它通常在20-80％的程度上进行。更特别地，可以通过增加加在轧辊的加工材料之间的辊子油的油膜厚度降低{100}的峰强度。使油膜厚度增厚的滚动条件是冷轧最终通过的辊的直径等于或大于100mm；辊速等于或大于200m/min；辊油的粘度等于或大于5cSt，如0.05cm2/s或更大。然后{100}的峰强度相对于{111}的峰强度可以降低到小于和等于0.04。
虽然用于半导体包装的铅框架的具有创造性的铜合金的应用主要如上所述，本发明的铜合金可以用于表面包覆膜直接用于材料上的其他用途，此时可以省略材料的抛光。
本发明铜合金的优选组成如下所述。百分比为重量百分比。
溶液处理后随之进行陈化，Cr在材料中沉淀，因此能有效地增加材料的强度。当Cr的含量少于0.04％时，强化效果不能达到理想水平。另一方面，当Cr的含量高于0.4％时，粗的Cr留在最终产品中并损害蚀刻特性。因此Cr含量优选在0.04-0.4％。
由于陈化处理Zr与Cu形成化合物。所产生的化合物在材料中沉淀并增加其强度。当Zr含量少于0.03％时，强化效果不能达到理想水平。另一方面，当Zr的含量高于0.25％时，不溶的粗Zr留在溶液处理后的材料中并损害蚀刻特性。因此Zr含量优选在0.03-0.25％。
加入Zn以增加焊接剂和附着的氧化膜的抗热剥脱性质。当Zn含量少于0.06％时，强化效果不能达到理想水平。另一方面，当Zn的含量高于2.0％时，导电性降低。
当合金陈化处理时，Ti和Fe一起形成金属化合物。因而进一步强化材料。因此在需要的情况下加入Ti和Fe。当每种元素的含量少于0.1％时，强化效果不能达到理想水平。另一方面，当Ti的含量高于0.8％，或Fe含量高于1.80％时，主要由Ti和Fe组成的粗的金属化合物存留，并严重影响蚀刻性质。因此，Ti含量优选在0.1％-0.8％,Fe含量优选在0.1-1.8％。
Ni,Sn,In,Mn,P,Mg和Si实现以下效果。每种元素使合金溶液硬化而不大大降低导电性。因此需要时加入一种或多种这些元素。当元素的总含量少于0.01％时，强化效果不能达到理想水平。另一方面，当这些元素的总含量高于1.0％时，合金的导电性严重降低。因此，单独加入的一种元素的含量或这些元素的组合的总量优选在0.01-1.0％。
实施例以下参考实施例特别说明本发明，对优选组合物的范围进行举例说明。
首先，使用导电的铜(Cu)或无氧的铜作为主要原料。辅助的原料是铜-铬母合金铜-锆母合金，锌，钛，适量的钢，镍，锡，铟，锰，镁，硅，和铜-磷母合金。有表1和3所示组成的铜合金在真空的高频率感应炉或Ar保护气体条件下熔融。熔融物铸成30mm厚的铸模。然后，在表1-3所示的条件下(50％冷轧度)，这些铸模连续地经过热加工、溶液处理、第一次冷轧、再处理、最终冷轧，和应力释放退火。制成0.15mm厚的薄片。
以下描述评价方法。用以上所述的方法评价所制备的各个薄片的结晶取向。用随后的带剥落法评价附着的氧化膜。将每个薄片裁成20×50mm的样品，在空气中在预定温度加热5分钟以在样品上形成氧化膜。在有氧化膜的样品表面使用市售的胶带(产品名称-Sumitomo 3M#851)，然后剥去。每20℃改变以上保持的加热温度，得到最低剥落温度。将此温度作为氧化膜的剥落温度。用测定拉伸强度的张力实验评价强度。测定电导率评价导电性能。
评价结果如表3和4所示。在创造性的实施例中，改进了附着的氧化膜。另一方面，在对比例中，其中的辊轧条件不适合，{100}取向偏离适当的范围。对比例中的附着氧化膜很少。
如上所述，与42％N-Fe合金相比，本发明的铜合金可以显著增强热分散特性、在半导体包装中的信号传输速度。另外，由于改进了附着的氧化膜，本发明也会增强半导体包装的可靠性。
表1对铜合金的评价(Ⅰ)
表2氧化膜的附着和性能的评价结果
表3对铜合金的评价
表4 氧化膜的附着和性能评价结果(2)
权利要求
1．一种用树脂封闭的铜合金铅框架，此铅框架的材料包含用XRD薄膜法评价的大量最上表层，其中所述最上表层的铜合金结晶具有{100}相对于{111}的不大于0.04的峰强度比率。
2．根据权利要求1所述的铜合金铅框架，其中所述的铅框架含有用所述树脂封闭的部分，和另一用金属镀膜的外铅部分，其中所述的树脂封闭的部分含有所述的最上表层，此最上表层的峰强度比不大于0.04。
3．根据权利要求1或2所述的铜合金铅框架，按重量百分比计，其中所述的铜合金含有0.04-0.4％Cr,0.03-0.25％Zr，和0.06-2.0％Zn，余量为Cu和不可避免的杂质。
4．根据权利要求1或2所述的铜合金铅框架，按重量百分比计，其中所述的铜合金含有0.04-0.4％Cr,0.03-0.25％Zr，和0.06-2.0％Zn，和0.01-1.0％至少一种选自Ni、Sn、In、Mn、P、Mg和Si的元素，余量为Cu和不可避免的杂质。
5．根据权利要求1或2所述的铜合金铅框架，按重量百分比计，其中所述的铜合金含有0.04-0.4％Cr,0.03-0.25％Zr,和0.06-2.0％Zn,0.1-1.8％Fe和0.1-0.8％Ti，余量为Cu和不可避免的杂质。
6．根据权利要求1或2所述的铜合金铅框架，按重量百分比计，其中所述的铜合金含有0.04-0.4％Cr,0.03-0.25％Zr，和0.06-2.0％Zn,0.1-1.8％Fe和0.1-0.8％Ti，和0.01-1.0％至少一种选自Ni、Sn、In、Mn、P、Mg和Si的元素，余量为Cu和不可避免的杂质。
7．一种含有用XRD薄膜法评价的大量最上表层的铜合金铅框架，其中所述最上表层铜合金结晶具有{100}相对于{111}的不大于0.04的峰强度比率，并按重量百分比计，进一步含有0.04-0.4％Cr,0.03-0.25％Zr，和0.06-2.0％Zn，余量为Cu和不可避免的杂质。
8．一种含有用XRD薄膜法评价的大量最上表层的铜合金铅框架，其中所述最上表层铜合金结晶具有{100}相对于{111}的不大于0.04的峰强度比率，并按重量百分比计，进一步含有0.04-0.4％Cr,0.03-0.25％Zr，和0.06-2.0％Zn,0.01-1.0％至少一种选自Ni、Sn、In、Mn、P、Mg和Si的元素，余重为Cu和不可避免的杂质。
9．一种含有用XRD薄膜法评价的大量最上表层的铜合金铅框架，其中所述最上表层铜合金结晶具有{100}相对于{111}的不大于0.04的峰强度比率，并按重量百分比计，进一步含有0.04-0.4％Cr,0.03-0.25％Zr，和0.06-2.0％Zn,0.1-1.8％Fe和0.1-0.8％Ti，余量为Cu和不可避免的杂质。
10．一种含有用XRD薄膜法评价的大量最上表层的铜合金铅框架，其中所述最上表层铜合金结晶具有{100}相对于{111}的不大于0.04的峰强度比率，并按重量百分比计，进一步含有0.04-0.4％Cr,0.03-0.25％Zr，和0.06-2.0％Zn,0.1-1.8％Fe,0.1-0.8％Ti，和0.01-1.0％至少一种选自Ni、Sn、In、Mn、P、Mg和Si的元素，余量为Cu和不可避免的杂质。
11．根据权利要求7-10中的任一权利要求所述的铜合金，它作为铅框架。
12．根据权利要求7-11中的任一权利要求所述的铜合金，其中它最终在下列条件下冷轧，最终通过的辊的直径等于或大于100mm的，辊轧速度大于或等于200m/min，辊油粘度等于或大于0.05cm2/s。
全文摘要
一种通过控制最上表层而改进的附着有铜合金的氧化膜，用XRD薄膜法进行评价。在此层中，铜合金结晶具有{100}相对于{111}的不大于0.04的峰强度比率。
文档编号C22C9/06GK1317828SQ0111194
公开日2001年10月17日 申请日期2001年2月28日 优先权日2000年2月29日
发明者富冈靖夫 申请人:日矿金属株式会社