专利名称：用于铜线键合的预镀引线框的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于装配半导体封装件的引线框(lead frames)，更具体地，特别是而非排他地涉及用于铜引线键合的引线框。
背景技术：
在半导体器件的生产过程中，引线框通常被用作同时安装和处理大量的半导体晶粒或芯片的有成本效益的方式使用。每个引线框普遍具有大量的晶粒座(die pads)以装配所述的芯片。另外，引线框也作为一种通过引线框的引线(leads)将半导体芯片电性连接到外围设备的装置。在众所周知的导线键合的工序中，键合导线被连接到半导体芯片上出现的电气触点和引线框的所述引线。该导线通常包含有金、铝或铜材料。在半导体芯片已经被安装在引线框上以及在半导体芯片和引线框之间已经形成键合导线连接之后，每个半导体芯片必须通过使用塑性模塑混合料，如环氧树脂模塑混合料(EMC:epoxy molding compound)将其灌封而受到保护,免遭环境的侵犯。每个灌封后的芯片构成一个半导体封装件。然后将多个半导体封装件分割或切割以形成单独的半导体器件。在半导体装配中，很长时间以来金线已经被用作为半导体芯片和引线框之间的电性互连。由于金的价格的持续上升，所以已经存在移动趋势来将铜线作为低成本地替代金线。而且，和金线相比，铜线具有更高的导电率。可是，铜线也遭遇了一些不足。其比金更加坚硬，当其曝露在大气中时，铜氧化很容易地发生。在导线键合过程中当铜受热时其氧化的速率增长更快。这些因素使得铜线键合处理的窗口和金线导线键合相比更加狭窄得多。目前,预镀引线框(PPF:pre_plated frames)的3层和4层式镀覆设计在工业上很普遍。这种镀覆设计描述于例如专利号为7，408，248、发明名称为“用于半导体器件的引线框”的美国专利中。3层式镀覆设计可包括:镍层、钯层和金层，而4层式镀覆设计可包括:镍层、钯层、金层和银层。图1为具有三个镀覆层的传统的预镀引线框100的剖面示意图。它包括:由铜合金组成的基体金属102、位于基体金属102上侧的镍层104、位于镍层104上侧的钯层106和位于钯层106上侧的金层108。这些多个镀覆层均匀地镀覆在传统的预镀引线框100的上侧和下侧。更具体地，将金层108镀覆达到超过3nm (30 A (angstroms:埃))的厚度。前述传统的3层式和甚至4层式镀覆设计所面临的问题是:它们具有厚金层所引起的高的表面硬度。当相对硬的铜键合导线被键合到硬的引线框表面上时，存在不良的表面接触以致于执行导线键合变得更为困难。而且，在铜线和预镀引线框之间的界面间可能出现微缝(micro-gaps),其降低了键合的强度。而且，多个镀覆层的一种功能是产生一个屏蔽层以防止铜和/或镍原子扩散到引线框表面，而在那里可能导致引线框表面处的氧化。引线框表面处的氧化反过来影响导线键合质量。据了解，特别是3层式预镀引线框在防止铜和镍原子扩散到引线框表面方面不是很成功。
发明内容
本发明的目的在于构想一种用于预镀引线框的镀覆设计，其特别适合于铜线键合，以便于避免在铜线键合过程中传统的预镀引线框所面临的一些不足。因此，本发明一方面提供一种预镀引线框，其包含有:衬底，其包含有铜或铜合金，该衬底具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面；第一镀覆层，其包含有镀覆在衬底的第一侧面和第二侧面的镍；第二镀覆层，其包含有镀覆在衬底第一侧面和第二侧面的第一镀覆层上方的钯；第三镀覆层，其包含有镀覆在衬底第二侧面的第二镀覆层上方的金，衬底第二侧面的第三镀覆层具有的厚度超过3nm;其中，衬底的第一侧面或者没有金镀覆在第二镀覆层上方，或者包括第三镀覆层，该第三镀覆层包含有镀覆在第二镀覆层上方的金，其厚度等于或小于1.5nm。本发明另一方面提供一种制造引线框的方法，该方法包含有以下步骤:提供包含有铜或铜合金的衬底，该衬底具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面；将镍镀覆在衬底的第一侧面和第二侧面上，以形成第一镀覆层；将钯镀覆在衬底第一侧面和第二侧面的第一镀覆层之上，以形成第二镀覆层；将金镀覆在衬底第二侧面的第二镀覆层之上，以形成第三镀覆层，衬底第二侧面的第三镀覆层具有的厚度超过3nm;以及或者将金镀覆在衬底第一侧面的第二镀覆层之上，以形成第三镀覆层，其厚度等于或小于1.5nm，或者没有金镀覆在衬底第一侧面的第二镀覆层之上。参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。
根据本发明较佳实施例所述的预镀引线框的实例现将参考附图加以描述，其中。图1为具有三个镀覆层的传统的预镀引线框的剖面示意图。图2为根据本发明较佳实施例所述的预镀引线框的剖面示意图。图3 (a)和3 (b)分别是传统的光滑引线框表面和根据本发明较佳实施例所述的粗糙化后的引线框表面的颗粒(grain)表面形貌的图解示意图。
具体实施例方式图2为根据本发明较佳实施例所述的预镀引线框10的剖面示意图。预镀引线框10具有包含有基体金属12的衬底，该基体金属可包括铜或铜合金。第一层镍层(nickel) 14被镀覆遍及基体金属12达到0.5μηι至1.5μηι的厚度。第二层IE层(palladium) 16被镀覆在遍及引线框10的镍层14的上侧达到0.01 μ m至0.05 μ m的厚度。为了克服如上所述的传统预镀引线框100所面临的键合难题，本发明所述的预镀引线框10构成了引线框10的第一侧面和与第一侧面相对的引线框10的第二侧面之间的差别特征，在该第一侧面处将会执行晶粒安装和导线键合，而在该第二侧面处封装器件将会通过它安装在其他元件或器件上。晶粒安装指的是将半导体芯片或晶粒安装至引线框10上，这通常是在和执行导线键合的侧面相同的侧面上。在这种情形下，导线键合被期待使用铜线而得以完成。引线框10的第二侧面是引线框10的表面安装侧面，其通常使用焊料被安装至其他器件或元件上。第一镀覆层14和第二镀覆层16均被镀覆在引线框10的第一侧面和第二侧面上。弓丨线框10的晶粒安装或导线键合的侧面通常为其上侧(或如上所述的第一侧面)。为了克服现有技术所出现的键合难题，引线框10的上侧应该具有仅仅达到1.5nm (15埃)的很薄的金镀覆层，或者可能根本不包含有金。金层的所述减少或消除被发现来降低引线框10的表面硬度和提高其对铜线键合的适应性。另一方面，和上侧相对的下侧(或如上所述的第二侧面)可能镀覆有较厚的金层，超过3nm (30埃)。镀覆层的上述构造使得预镀引线框10能够特别地适合于在其上侧进行的铜线键合，和继续适合于在其下侧进行表面安装至其他器件或元件。根据本发明较佳实施例所述的预镀引线框10的另一个优点是:据发现，其限制了铜和镍原子扩散至引线框10的表面。传统地，镍层14用作为扩散的屏障，以防止铜合金制成的基体金属12表面下的铜原子迁移至引线框10的上表面。接下来，钯层16用作为防止镍原子迁移至引线框10的上表面的扩散屏障。由于钯层16是薄的，所以钯层16的纯度和镀覆质量对于这种功能而言是至关重要的，因为如果钯层16中存在缺陷，那么其下面的镍原子将会迁移至上表面。据本发明人发现，镍朝向金的扩散或原子交换速率比其朝向钯快速得多。因此，任何已经扩散到钯层16的镍将会轻易地扩散到最上层的金层，而较厚的金层18将会从钯层16的下方吸引更多的镍原子。如此，由于具有较厚的金层18，金层18内部的镍原子将更加轻而易举地扩散至引线框10的上表面，以形成其最稳定形式的氧化镍，以致于表面能量(surface energy)将会最小化。位于引线框10的上表面的氧化镍将会导致引线框10的键合能力的弱化。如此，金层18的厚度的最小化用作为限制出现在引线框10的表面处的氧化，其将有益于铜线键合。图3 Ca)和3 (b)分别是传统的光滑引线框表面22和根据本发明较佳实施例所述的粗糙化的引线框表面24的颗粒表面形貌的图解示意图。在图3 (a)中所阐述图解的传统的光滑引线框表面22中，引线框表面的颗粒非常整齐规则。结果，它们会形成相对坚硬的表面，其可限制铜线对其的键合，因为铜也是一种相对坚硬的材料。另一方面，在图3 (b)中所阐述图解的粗糙化的引线框表面24中，颗粒没有如此整齐规则的轮廓。如蚀刻之类的粗糙化的处理将会在相邻的颗粒之间的颗粒间界(grainboundaries)处趋向引起择优浸蚀(preferential etching)。结果,相邻的颗粒之间产生了较大的间隙26。所以，对于颗粒和铜键合导线的密切接触而言存在更多的顶峰(apices)。该蚀刻后的表面看起来象整个表面已经被分成多个隔离岛。结果，在尖管(capillary)用作为导线键合的压入或刷洗(scrubbing)动作过程中，上表面能够被自由地移动或形变。各个颗粒在没有通常由其相邻的颗粒所施加的限制下能被形变。据发现，这个特征有助于将相对坚硬的铜线键合至引线框10的蚀刻后的表面上。通常，在将各个镀覆层14、16、18、20镀覆在铜合金基体金属12上以前，铜合金基体金属12上的表面将会被粗糙化。正好在镀覆之前，粗糙化能在各个蚀刻平台、或在镀覆平台处得以被完成。粗糙化可以通过以铜合金和氧化剂之间的化学反应的方式的蚀刻而得以实现。合适的蚀刻剂化学制品的示例如过硫酸或过氧化物的钾、钠或铵盐、硝酸(nitricacid)、氯化铁(ferric chloride)。在这种蚀刻处理中，在温度控制在15°C至35°C之间的情形下，基体金属12可被浸没在所选定的化学制品中持续5至60秒。值得注意的是，和传统的引线框100相比，根据本发明较佳实施例所述的预镀引线框10有助于强化铜引线的键合能力。而且，由于在引线框10的上表面使用很少或者不使用金，所以预镀引线框10能在较低成本下被制造，尤其是在金的价格处于持续增长的环境下。此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。
权利要求
1.一种预镀引线框，其包含有: 衬底，其包含有铜或铜合金，该衬底具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面； 第一镀覆层，其包含有镀覆在衬底的第一侧面和第二侧面的镍； 第二镀覆层，其包含有镀覆在衬底第一侧面和第二侧面的第一镀覆层上方的钯； 第三镀覆层，其包含有镀覆在衬底第二侧面的第二镀覆层上方的金，衬底第二侧面的第三镀覆层具有的厚度超过3nm ； 其中，衬底的第一侧面或者没有金镀覆在第二镀覆层上方，或者包括第三镀覆层，该第三镀覆层包含有镀覆在第二镀覆层上方的金，其厚度等于或小于1.5nm。
2.如权利要求1所述的预镀引线框，其中，该包含有镍的第一镀覆层的厚度是在0.5 μ m 至1.5 μ m 之间。
3.如权利要求1所述的预镀引线框，其中，该包含有钯的第二镀覆层的厚度是在0.0l μ m 至 0.05 μ m 之间。
4.如权利要求1所述的预镀引线框，其中，衬底的第一侧面被配置来在衬底上完成晶粒安装和/或导线键合，而衬底的第二侧面为表面安装侧面，其被配置来在其他的元件和器件之上装配从该衬底上制造的封装后的器件。
5.如权利要求1所述的预镀引线框，其中，在各个镀覆层形成以前，在该衬底的第一侧面和第二侧面上的表面通过使用氧化剂蚀刻该衬底以在表面上的颗粒间界处引起择优浸蚀的方式而被粗糙化，以便于在相邻的颗粒之间产生较大的间隙。
6.一种制造引线框的方法，该方法包含有以下步骤: 提供包含有铜或铜合金的衬底，该衬底具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面； 将镍镀覆在衬底的第一侧面和第二侧面上，以形成第一镀覆层； 将钯镀覆在衬底第一侧面和第二侧面的第一镀覆层之上，以形成第二镀覆层； 将金镀覆在衬底第二侧面的第二镀覆层之上，以形成第三镀覆层，衬底第二侧面的第三镀覆层具有的厚度超过3nm ；以及 或者将金镀覆在衬底第一侧面的第二镀覆层之上，以形成第三镀覆层，其厚度等于或小于1.5nm，或者没有金镀覆在衬底第一侧面的第二镀覆层之上。
7.如权利要求6所述的制造引线框的方法，其中，该包含有镍的第一镀覆层的厚度是在 0.5μηι 至 1.5μηι 之间。
8.如权利要求6所述的制造引线框的方法，其中，该包含有钯的第二镀覆层的厚度是在 0.01 μ m 至 0.05 μ m 之间。
9.如权利要求6所述的制造引线框的方法，其中，衬底的第一侧面被配置来在衬底上完成晶粒安装和/或导线键合，而衬底的第二侧面为表面安装侧面，其被配置来在其他的元件和器件之上装配从该衬底上制造的封装后的器件。
10.如权利要求6所述的制造引线框的方法，该方法还包含有下面的步骤: 在将镍镀覆在衬底的第一侧面和第二侧面上以前，在该衬底的第一侧面和第二侧面上的表面通过使用氧化剂蚀刻该衬底的方式而被粗糙化。
11.如权利要求10所述的制造引线框的方法，其中，该蚀刻处理包含有以下步骤:在温度控制在15°c至35°C之间的 情形下，将衬底浸没在氧化剂中持续5至60秒。
12.如权利要求10所述的制造引线框的方法，其中，该氧化剂选自以下的组群，该组群包括:过硫酸或过氧化物的钾、钠 或铵盐；硝酸和氯化铁。
全文摘要
本发明公开了一种预镀引线框，其包含有衬底，其包含有铜或铜合金，该衬底具有第一侧面和与第一侧面相对的第二侧面；第一镀覆层，其包含有镀覆在衬底的第一侧面和第二侧面的镍；第二镀覆层，其包含有镀覆在衬底第一侧面和第二侧面的第一镀覆层上方的钯；第三镀覆层，其包含有镀覆在衬底第二侧面的第二镀覆层上方的金，衬底第二侧面的第三镀覆层具有的厚度超过3nm；在衬底的第一侧面上，或者没有金镀覆在第二镀覆层上方，或者存在第三镀覆层，该第三镀覆层包含有镀覆在第二镀覆层上方的金，其厚度等于或小于1.5nm。
文档编号H01L21/48GK103077935SQ20121040862
公开日2013年5月1日 申请日期2012年10月24日 优先权日2011年10月25日
发明者关耀辉, 徐靖民, 曾世总, 林儒珑, 陈达志 申请人:先进科技新加坡有限公司