专利名称：用于半导体封装的引线框及其生产方法
技术领域：
本发明涉及用于半导体封装的引线框(lead frame)及其生产方法，并且更具体地说涉及各个镀层间伽伐尼电势差降低的引线框及其生产方法。
背景技术：
图1是传统引线框的平面图。
参照图1，引线框100包括管芯垫(Die pad)110和多个引脚120。
管芯垫110支撑半导体芯片(未显示)，并且通过管芯垫载体(padsupport)180与导轨(rail)170连接。
多个引脚120包括多个内引脚130和多个外引脚140。内引脚130与半导体芯片连接，并且外引脚140与外部电路(例如印刷电路板)连接。
在内引脚130和外引脚140之间形成挡板(dam bar)160，从而维持引脚130和140之间恒定的距离。在完全装配了包括半导体芯片和引线框100的半导体封装后，除去导轨170和挡板160。
为了提供半导体封装，用半导体芯片，例如存储器件装配引线框100。半导体装配过程包括芯片粘结、引线焊接和模塑的步骤。芯片粘结是将半导体芯片(管芯)粘结到引线框的管芯垫上的过程。引线焊接是通过金属(例如金)线将半导体芯片的针脚/连接器/端口连接到引线框的内引脚上的过程。模塑是通过包封、涂覆或者其它用例如热固性树脂的绝缘体覆盖前述部分而密封芯片、引线和引线框的内引脚的过程。
为了增强在芯片粘结过程期间半导体芯片和引线框管芯垫之间的粘合强度，以及引线焊接过程期间引线、引线框和半导体芯片之间的焊接性质，在管芯垫110和引脚130，140上涂覆金属材料。为了在模塑后在外部电路上安装外引脚140的过程期间，增强焊剂的可湿性，在外引脚140的特定部分上实施Sn-Pb焊剂镀覆。
但是，镀覆Sn-Pb焊剂的过程是复杂的，并且Pb镀覆溶液可能引起环境问题。另外，在Sn-Pb焊剂镀覆期间频繁地发生Pb镀覆溶液渗入引线框100的表面和环氧模具间的间隙的情况，并且从而导致镀层的不均匀以及在半导体芯片中导致缺陷。因此，需要一种使镀层均匀的附加过程。
最近，已经建议使用预镀引线框(PPF)来解决上述问题。在此情况中，在实施半导体封装过程之前，在引线框的基础金属材料上预镀具有优异可湿性的材料，从而在半导体后处理期间省略了镀Pb过程。通过预镀获得的引线框可以简化半导体封装过程，并且降低了在半导体封装过程期间由于镀Pb引起的环境污染。
图2是通过传统PPF技术生产的引线框的引脚示意剖视图(例如图1的引脚120)。
参照图2，在由例如铜(Cu)或铁(Fe)的金属组成的基础金属层121上形成镍(Ni)镀层122，并且在Ni镀层122上形成钯(Pd)镀层123。即，在基础金属层121上顺序镀上镍和钯。
Ni镀层122阻止了基础金属层121的铜或铁扩散入引线框100的表面而产生氧化物或硫化物。Pd镀层123具有优异的焊剂可湿性，并且保护了Ni镀层122的表面。
但是，尽管在引脚120的生产期间，在镀覆过程前实施了预先的过程，但是在基础金属层121的表面上仍存在缺陷部分。在此情况下，因为由于缺陷部分高的表面能，在缺陷部分镀Ni进行得比其它外围部分要快，所以降低了Ni镀层122与外围部分的结合，并且镀层表面变得粗糙。
具体地说，当形成Pd镀层123时，因为钯和氢之间电极电势差小，在镀Pd期间附着上大量的氢。附着的氢增加了Pd镀层123的内部应力。具体地说，当在缺陷部分(例如图3的裂纹120c)暴露的Ni镀层122的表面上镀(例如电镀)Pd镀层123时，因为钯的析出电势与氢相等，所以在钯析出期间掺杂了大量的氢。掺杂的氢引起Pd镀层123内部应力的增加。因此，Pd镀层123的密度降低，从而Pd镀层123的一部分会不可取地剥落。
Pd镀层123密度的降低引起下面Ni镀层122的氧化，导致引线框引线焊接特性和焊剂可湿性的降低。另外，热滞后现象引起Pd镀层123的氧化，导致原始钯优异的焊剂可湿性降低。
图3是美国专利第4,529,667号公开的用于半导体封装的另一种传统引线框的示意图。
参照图3，引线框构筑有在Pd镀层123上形成的保护性镀层124，从而解决了上述氧化和劣化问题。
如图3所示，在包括由Cu、Cu合金，或者Fe-Ni合金组成的基础金属层121的引线框的至少一个表面上形成了镀层。所述镀层包括由Ni或Ni合金组成的Ni镀层122、由Pd或Pd合金组成并且在Ni镀层122上形成的Pd镀层123，以及由Ag或Ag合金组成并且在Pd镀层123上形成的保护性镀层124。
保护性镀层124中Ag的高的抗氧化性能力有效地阻止了Pd镀层123的氧化，从而提高了其焊剂可湿性。但是，这种结构仅在预镀引线框的表面没有被外部环境物理损伤时是有效的。
如图3所示，在来自半导体封装装配过程的表面镀层结构中可能发生裂纹120c。这种裂纹120c引起镀层剥落。因此，Ni镀层122和Pd镀层123部分暴露于环境中。结果，由于伽伐尼电势差诱导伽伐尼耦合，并且加速了腐蚀反应。
在此情况下，基础金属层121由合金42组成时，腐蚀反应变得更加严重。如本领域公知，合金42由Ni48％、Fe58％，以及少量的其它元素组成，并且被广泛地用作引线框材料。但是，因为在组成合金42的Fe或Ni与组成Pd镀层123的Pd，或者组成保护性镀层124的Ag之间具有大的伽伐尼电势差，伽伐尼耦合增大，因此产生非常剧烈的腐蚀反应。这种现象也在保护性镀层124由Pt、Au等组成时发生。
众所周知，在如图3所示的引线框的生产期间容易发生裂纹和缺陷。这种裂纹和缺陷引起保护性镀层124的剥落，因此使Pd镀层123和Ni镀层122暴露于大气中的氧中。因此，由于伽伐尼耦合在暴露部分(例如裂纹120c)更加速了腐蚀反应。
发明内容
本发明提供了一种用于半导体封装的引线框及其生产方法，所述引线框在各个镀层之间具有降低的伽伐尼电势差。
本发明还提供了一种用于半导体封装的引线框及其生产方法，所述引线框表现出优异的焊剂可湿性和优异的引线焊接性质。
根据本发明的一个方面，提供了一种用于半导体封装的引线框，其包括基础金属层、镀在基础金属层上的由Ni或Ni合金组成的Ni镀层、镀在Ni镀层上的由Ni-Pd基合金组成的Ni-Pd镀层，以及镀在Ni-Pd镀层上的保护性镀层。
Ni-Pd镀层的Ni原子浓度可以在约60％至约95％的范围内。
Ni-Pd镀层的厚度可以在约0.2微英寸至约4.0微英寸的范围内。
保护性镀层可由Au或Au基合金组成。
所述引线框可以进一步包括由Au-Pd合金组成并且插在Ni-Pd镀层和保护性镀层之间的Au-Pd镀层。
Ni镀层和Ni-Pd层组成中间镀层，并且可以在基础金属层和保护性镀层之间层叠至少两层中间镀层。
基础金属层可以由合金42组成。
根据本发明的另一个方面，提供了一种生产用于半导体封装的引线框的方法，所述方法包括提供基础金属层；在基础金属层上镀由Ni或Ni合金组成的Ni镀层；在Ni镀层上镀由Ni原子浓度在约60％至约95％范围内的Ni-Pd基合金组成的Ni-Pd镀层，以及在Ni-Pd镀层上镀保护性镀层。
Ni镀层的厚度可以在约30微英寸至约100微英寸的范围内；Ni-Pd镀层的厚度可以在约0.2微英寸至约4.0微英寸的范围内，并且保护性镀层可以由Au或Au基合金组成并具有在约0.4微英寸至约1.5微英寸范围内的厚度。
所述方法可以进一步包括在镀Ni-Pd镀层和形成保护性镀层之间镀Au-Pd合金的Au-Pd镀层。
通过参照附图详细地说明本发明的示例性实施方案，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1是用于半导体封装的传统引线框的平面图；图2是传统引线框的示意剖视图；图3是用于半导体封装的另一个传统引线框的示意剖视图；图4显示了根据本发明实施方案的半导体封装件的透视图，以及所述封装件部分A的放大示意剖视图；图5是显示图4中部分A修改的示意剖视图；图6是显示图4中部分A另一种修改的示意剖视图；图7是显示生产图4所示的引线框的方法的流程图；图8A是显示提供基础金属层，从而生产根据本发明实施方案的引线框的过程结果的示意剖视图；图8B是显示在图8A所示的基础金属层上镀Ni镀层的过程结果的示意剖视图；图8C是显示在图8B所示的Ni镀层上镀Ni-Pd镀层的过程结果的示意剖视图；图8D是显示在图8C所示的Ni-Pd镀层上镀保护性镀层的过程结果的示意剖视图；图9A是传统引线框的示意图，表示了在其上面实施盐水喷雾试验的结果；图9B是根据本发明生产的具有含95％Ni的Ni-Pd镀层的引线框的示意图，表示了在其上面实施盐水喷雾试验的结果；图9C是根据本发明生产的具有含75％Ni的Ni-Pd镀层的引线框的示意图，表示了在其上面实施盐水喷雾试验的结果；图9D是根据本发明生产的具有含65％Ni的Ni-Pd镀层的引线框的示意图，表示了在其上面实施盐水喷雾试验的结果。
具体实施例方式
下面将参照表示了本发明示例性实施方案的附图全面说明本发明。但是，本发明可以以许多不同的方式来实现，并且不应局限于此处所提出的实施方案；而是提供这些实施方案，使本发明内容是彻底的且完全的，并且完全将本发明的概念传达给本领域技术人员。
图4显示了包括根据本发明一个实施方案的引线框的半导体封装件。
参照图4，半导体封装件205具有引线框200的多个引脚220与半导体芯片50电学连接的结构。
如图所示，半导体芯片50位于管芯垫210上，从而通过引线焊接过程，多个内引脚230和半导体芯片50可以通过多根引线252连接，并且多个外引脚240与外部电路(示显示)电学连接。然后，通过模塑树脂255保护半导体芯片50、引线252和内引脚230，从而构成半导体封装件205。
如图4的详图所示，引线框200包括基础金属层221、Ni镀层222、Ni-Pd镀层223和保护性镀层224。基础金属层221是引线框200的裸框并且由主要是Ni和Fe(例如合金42)或Cu形成的金属组成。在本情况下，基础金属层221是合金42。
Ni镀层222在基础金属层221上形成。Ni镀层222由Ni或Ni合金组成，从而阻止基础金属层221的金属遍布引线框的表面。
Ni-Pd镀层223堆叠在Ni镀层222上。Ni-Pd镀层223包括Pd和Ni。与形成为包括单独的且具有不同伽伐尼电势差的Ni镀层122和Pd镀层123的传统引线框100(图1)不同，Ni-Pd镀层223包括恒定原子浓度的Ni和Pd。因此，在Ni镀层222和Ni-Pd镀层223之间没有伽伐尼电势差。因此，防止了由于伽伐尼电势差引起的腐蚀反应。
在本情况下，Ni-Pd镀层223优选具有在约60％至约95％范围内的Ni原子浓度。这是因为Ni原子浓度大于95％的Ni-Pd镀层223实验上确定具有不良的焊剂可湿性和不良的引线焊接性质。此外，实验上确定Ni原子浓度小于60％的Ni-Pd镀层223在Ni镀层222和Ni-Pd镀层223之间引起伽伐尼电势差。
保护性镀层224在Ni-Pd镀层223上形成，阻止Ni-Pd镀层223的氧化。保护性镀层224优选由Au或Au基合金组成。Au基合金是与Au具有相似特性的合金。Au基合金可以包括至少一种选自由Ag、Co、Ti、Pt和Pd组成的组中的元素。
在本情况中，可以形成厚度K1为0.2微英寸至4.0微英寸的Ni-Pd镀层223，并且可以形成厚度K2为0.4微英寸至1.5微英寸的保护性镀层224。
图5是显示图4中部分A修改的示意剖视图。
参照图5，可以在Ni-Pd镀层223和保护性镀层224之间形成Au-Pd镀层225。Au-Pd镀层225由Au-Pd合金组成，从而降低了保护性镀层224和暴露在Ni-Pd镀层223上表面上的Pd之间的伽伐尼电势差。
图6是显示图4中部分A另一种修改的示意剖视图。
参照图6，Ni镀层222和Ni-Pd镀层223一起形成中间镀层227。在本情况中，可以在基础金属层221和保护性镀层224之间层叠至少两层中间镀层227。层叠至少两层中间镀层227的结构比层叠一层中间镀层227的结构可以进一步降低引线框镀层间的伽伐尼电势差。
图7是显示生产图4所示的引线框的方法的流程图。图8A至8D是显示图7的引线框生产方法过程的各个结果的示意剖视图。此处，在封装半导体芯片和引线框的半导体封装过程前实施在基础金属层，即引线框主体材料上形成镀层的过程。参照图8A至8D，以及图4和7，将理详细地说明引线框200的结构，然后还将说明所述引线框的生产方法。
参照图8A，首先在操作S10(图7)中提供引线框裸框架的基础金属层221。基础金属层221由例如Cu或合金42的金属材料组成。
参照图8B，在操作S20(图7)中，通过化学镀方法，或者电镀方法在基础金属层221上面镀Ni或Ni合金而形成Ni镀层222。Ni镀层222阻止基础金属层221的组成材料(例如Cu、Ni、Fe等)扩散入引线框200的表面中。
参照图8C，在操作S30(图7)中，在Ni镀层222上镀Ni-Pd基合金的Ni-Pd镀层223。
Pd(钯)在本领域中被公认为具有优异的焊剂可湿性和优异的引线焊接性质。因此，Pd便于焊接并且同时保护引脚的Ni镀层222的表面。但是，在Pd和组成Ni镀层222的Ni或Ni合金之间存在大的伽伐尼电势差。具体地说，当Ni镀层222和Pd暴露于大气中时，大的伽伐尼电势差在Ni镀层222和Pd之间引起伽伐尼耦合，从而加速了引线框200的腐蚀。另外，Pd的析出电势与氢相似。因此，当在Ni镀层222上电镀Pd或Pd合金镀层时，在Pd析出期间掺入大量的氢。掺杂的氢增加了Pd镀层的内部应力并且加速了其缺陷，导致引线框200腐蚀的加速。
因此，在Ni镀层222上形成由Ni-Pd基合金组成的Ni-Pd镀层223，从而解决了上述问题。结果，降低了Ni镀层222和其上面的下一镀层之间的伽伐尼电势差，因此改善了引脚的焊剂可湿性和引线焊接性质。另外，Ni-Pd镀层223的含氢量随着其Pd原子浓度的降低而降低。因此，降低了镀层的内部应力，并且结果降低了引线框200的腐蚀。
在本情况中，Ni-Pd镀层223优选具有约60％至约95％范围内的Ni原子浓度。也就是说，当Ni原子浓度大于95％时，Ni-Pd镀层223不能具有足够的引线焊接性质，并且当Ni原子浓度小于60％时，在Ni镀层222和Ni-Pd镀层223面向Ni镀层222的下表面之间发生大的伽伐尼电势差。因此，通过增加Ni-Pd镀层223中的Ni原子浓度并且降低其Pd原子浓度，可以降低伽伐尼电势差。
Ni-Pd镀层223优选具有约0.2微英寸至4.0微英寸范围内的厚度K1。这是因为当厚度K1小于0.2微英寸时，Ni-Pd镀层223不能充分地保护Ni镀层222、不能具有足够的引线焊接性质。此外，当厚度K1大于4.0微英寸时，Ni-Pd镀层223的成本比其利益更大。
参照图8D，在形成了Ni-Pd镀层223后，在操作S40中，在Ni-Pd镀层223上形成保护性镀层224。因为Ni-Pd镀层223中Ni的含量大于Pd，所以耐腐蚀性提高而引线焊接性质降低。保护性镀层224提高焊剂可湿性。此处，因为贵金属具有高的抗氧化性，所以保护性镀层224是贵金属。即，通过在Ni-Pd镀层223上镀覆贵金属阻止了Ni-Pd镀层223的氧化。
保护性镀层224可以是Au或Au基合金。Au基合金可以包括Cu和至少一种选自由Ag、Co、Ti、Pt和Pd组成的组中的元素。在本情况中，形成厚度K2在约0.4微英寸至1.5微英寸范围内的保护性镀层224。
尽管图中没有显示，但是在形成Ni-Pd镀层223的过程和形成保护性镀层224的过程之间可以进一步包括形成Au-Pd镀层的过程。Au-Pd镀层由Au-Pd合金组成，降低了保护性镀层224和在Ni-Pd镀层223的上表面上暴露的Pd金属之间的伽伐尼电势差。
另外，可以在如图6所示的基础金属层221和保护性镀层224之间层叠至少两层中间镀层227，每层包括Ni镀层222和Ni-Pd镀层223。这种层叠至少两层中间镀层227的结构比层叠一层中间镀层227的结构可以进一步降低引线框镀层间的伽伐尼电势差。
引线框200的有利作用可以从下面的解释性实验中看出。
实施例在本实验中，使用三个66TSOP2合金42预镀引线框。三个66TSOP2合金42预镀引线框如下生产在由合金42组成的基础金属层221上形成Ni镀层222，厚度在约30微英寸至100微英寸的范围内；在Ni镀层222上形成Ni-Pd镀层223，厚度在约0.2微英寸至4.0微英寸的范围内；以及形成Au或Au合金的保护性镀层224，厚度在约0.4微英寸至1.5微英寸的范围内。第一个样品预镀引线框的Ni-Pd镀层223中的Pd原子浓度为5％，第二个样品预镀引线框的Ni-Pd镀层223中的Pd原子浓度为25％，并且第三个样品预镀引线框的Ni-Pd镀层223中的Pd原子浓度为35％。
为了与前述三个样品比较，如下生产传统的引线框在由合金42材料组成的基础金属层上形成Ni镀层，厚度在约30微英寸至100微英寸的范围内；在Ni镀层上形成Pd镀层，厚度在约0.2微英寸至4.0微英寸的范围内，以及形成Au合金的保护性镀层，厚度在约0.4微英寸至1.5微英寸的范围内。
盐水喷雾试验通过实施盐水喷雾试验来评价前述三个样品的耐腐蚀性能。在35℃的室温下，以150g/m2，在样品上喷雾溶解在水中且原子浓度为5％的NaCl，持续24小时。
图9A显示了在盐水喷雾试验完成后的传统引线框。从图9A中可以看出由参考字母C表示的大部分引线框100已经被腐蚀。
图9B至9D显示了在盐水喷雾试验完成后的三个分别包括Pd原子浓度为5％、25％和35％的Ni-Pd镀层的样品引线框的状态。从图9B至9D中可以看出引线框具有微小的腐蚀。
从图9A-9D可以看出，通过在Ni镀层上形成Ni-Pd镀层，可以降低伽伐尼电势差，因此可以阻止或最小化引线框200的腐蚀。
如上所述，通过在形成保护性镀层之前形成Ni-Pd镀层，可以降低Ni镀层和镀在其上面的镀层之间的伽伐尼电势差。另外，可以阻止由于掺杂的氢引起镀层密度的降低，因此部分镀层剥落的情况。
结果，可以防止引线框的腐蚀，同时可以改善引线框的引线焊接性质和焊剂可湿性。
当已经参照其示例性的实施方案具体地表示并说明了本发明时，本领域技术人员应当理解在形式和细节方面的各种变化都包括在内，而不会背离由下面权利要求定义的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于半导体封装的引线框，其包括基础金属层；镀在所述基础金属层上的Ni镀层；镀在所述Ni镀层上的Ni-Pd镀层，所述Ni-Pd镀层包含原子浓度在约60％至约95％的范围内的Ni，以及镀在所述Ni-Pd镀层上的保护性镀层。
2.权利要求1的引线框，其中所述Ni-Pd镀层的厚度在约0.2微英寸至约4.0微英寸的范围内。
3.权利要求1的引线框，其中所述保护性镀层包含厚度在约0.4微英寸至约1.5微英寸范围内的贵金属。
4.权利要求3的引线框，其中所述保护性镀层进一步包括至少一种选自由Ag、Co、Ti、Pt和Pd组成的组中的元素。
5.权利要求3的引线框，其中所述贵金属是Au或Au基合金。
6.权利要求1的引线框，其进一步包括Au-Pd镀层，所述Au-Pd镀层插在所述Ni-Pd镀层和所述保护性镀层之间，从而降低其间的伽伐尼电势差。
7.权利要求1的引线框，其进一步包括第二Ni镀层；及位于所述第二Ni镀层上面的第二Ni-Pd镀层，其中所述第二Ni镀层和第二Ni-Pd镀层插在所述Ni-Pd镀层和所述保护性镀层之间。
8.权利要求7的引线框，其中所述第二Ni-Pd镀层基本上与Ni-Pd镀层相似。
9.权利要求1的引线框，其中所述基础金属层是合金42和Cu之一。
10.一种生产用于半导体封装的引线框的方法，所述方法包括在包含合金42和Cu之一的基础金属层上形成Ni镀层；在所述Ni镀层上形成Ni-Pd镀层，所述Ni-Pd镀层的Ni原子浓度在约60％至约95％范围内；以及在所述Ni-Pd镀层上形成贵金属保护性镀层。
11.权利要求10的方法，其在形成Ni-Pd镀层的步骤后进一步包括在所述Ni-Pd镀层上形成Au-Pd镀层。
12.权利要求10的方法，其在形成Ni-Pd镀层的步骤后进一步包括在所述Ni-Pd镀层上形成第二Ni镀层；及在所述第二Ni镀层上面形成第二Ni-Pd镀层。
13.权利要求12的方法，其在形成第二Ni-Pd镀层的步骤后进一步包括在所述第二Ni-Pd镀层上形成Au-Pd镀层。
14.一种用于半导体封装的引线框，所述引线框通过下面的过程来形成提供合金42层；在所述合金42层上镀Ni层，所述Ni层的厚度在约30微英寸至约100微英寸的范围内；在所述Ni层上镀Ni-Pd层，所述Ni-Pd层的Ni原子浓度在约60％至约95％范围内，并且厚度在约0.2微英寸至约4.0微英寸的范围内；以及在所述Ni-Pd层上镀Au层，所述Au层的厚度在约0.4微英寸至约1.5微英寸范围内。
15.权利要求14的引线框，其中所述过程在镀Ni-Pd层的步骤后进一步包括在所述Ni-Pd层上镀Au-Pd层。
16.权利要求14的引线框，其中所述过程在镀Ni-Pd层的步骤后进一步包括在所述Ni-Pd层上镀第二Ni层，所述第二Ni层的厚度在约30微英寸至约100微英寸的范围内；在所述第二Ni层上形成第二Ni-Pd层，所述第二Ni-Pd层的Ni原子浓度在约60％至约95％范围内，并且厚度在约0.2微英寸至约4.0微英寸的范围内。
17.权利要求16的方法，其在形成第二Ni-Pd镀层的步骤后进一步包括在所述第二Ni-Pd镀层上形成Au-Pd镀层。
全文摘要
本发明提供了一种用于半导体封装的引线框及其生产方法。在所述引线框中，在基础金属层上镀覆由Ni或Ni合金组成的Ni镀层。在所述Ni镀层上镀镀覆由Ni－Pd基合金组成并且Ni原子浓度在约60％至约95％范围内的Ni－Pd镀层，并且在所述Ni－Pd镀层上镀覆保护性镀层。
文档编号H01L21/48GK1855471SQ200510107059
公开日2006年11月1日 申请日期2005年9月29日 优先权日2005年4月26日
发明者李尚勋, 朴世喆 申请人:三星Techwin株式会社