用于无铅焊料连接的引线框架结构的制作方法
【专利说明】用于无铅焊料连接的弓I线框架结构
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请要求享有2013年5月3日提交的名称为“LEAD FRAME CONSTRUCT FORLEAD-FREE SOLDER CONNECT1NS”的临时申请号61/819，281的优先权，该申请通过全文引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003]本公开涉及电子封装装置，并且特别地涉及使用无铅焊料形成在芯片与引线框架之间的焊接连接，以及引线框架结构和制造电子封装装置的方法。
【背景技术】
[0004]焊料材料用在各种电机和电子设备的制造和组装中。在过去，焊料材料已经通常包括大量的铅以提供具有诸如熔点、润湿性质、延展性和热导率的所需性质的焊料材料。也已经开发了一些锡基焊料。更近一些，已经尝试生产提供所需性能特性的无铅和无锡的焊料材料。
[0005]在电子制造工业中，焊料材料用于在芯片与引线框架之间做出焊接连接。无铅焊料的一个系列是锌基焊料，其是包括作为主要成分的锌连同诸如铝和/或附加元素的其他合金元素的合金，如例如名称为“Lead-Free Solder Composit1ns”的转让给本发明的受让人的美国专利申请序列号13/586，074 (美国专利申请公开号2013/0045131)中所讨论的那样，该申请的全部公开内容通过引用明确地并入本文中。
【发明内容】
[0006]本公开提供了一种电子封装装置、供电子封装装置里使用的引线框架结构、以及用于制造电子封装装置的方法。
[0007]例如由铜制成的引线框架包括例如镍的金属阻挡层以防止引线框架的金属的氧化。例如铜的相对薄的润湿促进层被提供在金属阻挡层上以促进诸如无铅、锌基焊料的焊料在通过其将芯片连接至引线框架的管芯连接工艺期间均匀润湿至引线框架上。铜/锌金属间层在焊料的流动和固化期间形成。铜层中基本上所有的铜在铜/锌金属间层的形成期间被消耗，并且金属间层足够薄以在电子封装装置的制造和随后使用期间抵抗内部破裂故障。
[0008]本公开在其一个形式中提供了一种电子封装结构，包括具有表面的引线框架；布置在引线框架的表面上的金属阻挡层；经由锌基焊料层连接至金属阻挡层的芯片；以及布置在金属阻挡层和锌基焊料层之间的金属间层，金属间层包括包含锌的金属间化合物。
[0009]本公开在其另一形式中提供了一种制造电子封装装置的方法，所述方法包括下述步骤:提供引线框架，该引线框架包括布置在引线框架的表面上的金属阻挡层，以及布置在金属阻挡层上的润湿促进层；通过以下步骤将芯片连接至引线框架:在润湿促进层之上使锌基焊料流动；在锌基焊料上放置芯片；以及用在锌基焊料和金属阻挡层之间的金属间层的形成固化锌基焊料，金属间层包括包含锌的金属间化合物。
[0010]本公开在其进一步形式中提供了一种引线框架结构，包括具有表面的引线框架；布置在引线框架的表面上的金属阻挡层；以及布置在金属阻挡层上的润湿促进层。
[0011]在其又进一步形式中，本公开提供了一种制造引线框架结构的方法，方法包括下述步骤:提供具有表面的引线框架；在引线框架的表面上形成金属阻挡层；以及随后，在金属阻挡层上形成润湿促进层。
【附图说明】
[0012]参考结合附图的本公开的实施例的以下描述，本公开的上述和其他特征以及实现它们的方式将变得更加显而易见并且将被更好理解，其中:
[0013]图1A是包括连接至引线框架的芯片的示例性电子封装装置的示意性横截面视图；
[0014]图1B是图1A的一部分的局部视图；
[0015]图2A是用在图1A和IB的电子封装装置中的示例性引线框架结构的示意性横截面视图；以及
[0016]图2B是图2A的一部分的局部视图。
[0017]图3和4对应于示例I，其中:
[0018]图3是具有2μπι厚度的铜层的引线框架结构的横截面光学显微图像；以及
[0019]图4是具有8μπι厚度的铜层的引线框架结构的横截面光学显微图像。
[0020]图5-7对应于示例2，其中:
[0021]图5是润湿至图3的引线框架上的锌基焊料的图像；
[0022]图6是润湿至图4的引线框架上的锌基焊料的图像；以及
[0023]图7是润湿至包括镍阻挡层但是缺乏铜层的控制引线框架上的锌基焊料的图像。
[0024]图8-11对应于示例3，其中:
[0025]图8是固化至图5的引线框架上的锌基焊料的扫描电镜(SEM)横截面图像；
[0026]图9Α、9Β和9C是分别对应于针对镍、铜和锌的图8的X射线线扫描元素分析的一系列绘图；
[0027]图10是固化至图6的引线框架上的锌基焊料的扫描电镜(SEM)横截面图像；以及
[0028]图1lAUlB和IlC是分别对应于针对镍、铜和锌的图10的X射线线扫描元素分析的一系列绘图。
[0029]对应的附图标记遍及若干视图指示对应的部分。本文中陈述的例证说明了本公开的实施例并且这样的例证不要被解释为以任何方式限制本发明的范围。
【具体实施方式】
[0030]参照图1A和1Β，示出了根据本公开的示例性电子封装装置10的示意性横截面视图，包括经由以下描述的类型的多层焊接连接、并且特别是包括无铅、锌基焊料的焊接连接而连接至引线框架14的芯片12 (即，集成电路和/或微处理器)。
[0031]在通过其芯片经由焊接连接而连接至引线框架结构16以形成图1A中示出的电子封装装置10的管芯连接工艺中使用之前的根据本公开的引线框架结构16被示出在图2Α和2B中。引线框架结构16包括形式为金属、导电性衬底的引线框架14，一个或多个芯片可以附接至引线框架14，并且引线框架14和/或所附接的芯片也可以包括与其连接的电引线或其他部件(未示出)。引线框架14通常由纯铜或铜合金制成。
[0032]当引线框架14由纯铜或铜合金制成时，然而，引线框架14的铜的表面一旦与大气中氧气接触则将倾向于自然地氧化为氧化铜，由此形成氧化铜层。氧化铜是电绝缘的，这可能降低引线框架14的电导率，并且所形成的任何氧化铜层也可能阻碍在管芯连接工艺期间液体焊料润湿引线框架14的表面的能力和/或可能损害引线框架14和芯片12之间得到的连接的完整性。
[0033]引线框架14配备有在引线框架14的至少一个表面上、以及取决于应用任选地在引线框架14的相对表面的每一个上的金属阻挡层18，以便于防止下层引线框架14的金属的氧化。阻挡层18可以由与引线框架14的金属相比具有减小的氧化倾向的金属制成。在一个实施例中，阻挡层18由纯镍或镍合金制成。因此，阻挡层18覆盖引线框架14的表面并且防止引线框架14的金属接触周围环境和自然地与氧气进行氧化。此外，如以下讨论的，阻挡层18也用于防止引线框架14的金属接触在管芯连接工艺期间用于将芯片12固定至引线框架14的焊料，这导致在引线框架14的金属与焊料的(一个或多个)金属之间形成金属间化合物。
[0034]阻挡层18可以通过镀敷工艺诸如经由电镀或化学镀形成在引线框架14上。此外，阻挡层18可以以连续或覆盖(blanket)的方式形成在引线框架14的整个表面之上，或者备选地可以选择性形成在引线框架14的表面的管芯焊垫区域和/或其他选择区域之上。
[0035]在电镀工艺中，引线框架14是在要沉积的溶解金属的溶液的电镀浴中的阴极。要沉积的金属通常是阳极。一旦施加电流，浴液中溶解的金属离子被还原并且沉积至引线框架阴极上以形成阻挡层18。
[0036]在一个实施例中，氨基磺酸盐电解质浴液可以包含溶解的镍，并且电镀浴也可以缺乏通常以例如增亮剂形式存在的有机添加剂。前述浴液的使用导致具有稍微粗糙或“不光滑”涂层的沉积金属表面。
[0037]备选地，可以使用化学沉积工艺，其不在存在所施加的电流的情况下进行，而是采用诸如水合次磷酸钠(NaPO2H2.H2O)的还原剂以还原来自溶液的所沉积的金属的离子并且沉积金属至引线框架14的表面上的自动催化反应。根据这样的工艺镀敷至引线框架上的镍阻挡层可以称为“化学镀的镍”层，并且通常将是包括例如与约2-4重量％的磷形成合金的镍的镍合金。
[0038]通常，阻挡层18的厚度至多10微米(μπι)，诸如在I μπι和10 μπι之间。在一个实施例中，阻挡层18的厚度可以例如小如1、2或3 4111以及大如5、6、7、8、9或10 4111，或者可以具有在前述值的任何对之间定义的任何范围内的厚度。
[0039]参照图2Α和图2Β，引线框架结构16包括润湿促进层20，其可以备选地称为润湿促进“毛刺(flash)”，并且出于以下讨论的原因而可以与阻挡层18相比相对薄。润湿促进层20形成在阻挡层18上以当液体焊料在管芯连接工艺期间流动至引线框架14上时帮助液体焊料以均匀方式润湿在引线框架14之上。
[0040]润湿促进层20可以是铜或铜合金层，尽管可以备选地是锌、铋、锡、铟或贵金属诸如金、银、钯、铂，以及前述的合金的层。特别地，已经发现，某些焊料合成物以及特别是在本文中公开的类型的锌基焊料合成物非常均匀和有效地润湿在铜或铜合金表面之上。如果需要的话，引线框架结构16可以在用在管芯连接工艺中之前在惰性环境中被封装以防止润湿促进层20的氧化。如果除了促进焊料润湿之外需要抗氧化，则层20可以备选地是金、铂、钯、钌或银的层。
[0041]层20可以具有至多10微米(μπι)诸如在Ιμπι和ΙΟμπι之间的厚度。在一个实施例中，铜层16的厚度可以例如小如1、2或3μπι并且大如5、6、7、8、9或ΙΟμπι，或者可以具有在前述值的任何对之间定义的任何范围内的厚度。
[0042]类似于其中阻挡层18形成在引线框架14上的方式，层20可