(57)【要約】【課題】基板を提供する段階と、基板にスズ層をメッキする段階と、スズ層上にニッケル層をメッキする段階と、その後に、ニッケル層上に１層以上の保護層をメッキする段階と、を備えるリードフレームの製造方法を提供する。【解決手段】リードフレームを加熱することにより、スズを有する１層以上の金属間層が形成され、銅がリードフレームのベース材料からリードフレーム表面へと拡散することが防止される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を提供する段階と、
前記基板にスズ層をメッキする段階と、
前記スズ層上にニッケル層をメッキする段階と、
その後に、前記ニッケル層上に１層以上の保護層をメッキする段階と、を備えるリードフレームの製造方法。
【請求項２】
前記基板と前記ニッケル層との間にスズを有する１層以上の金属間層を形成する段階を更に備える請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記１層以上の金属間層を形成する段階は、前記メッキされた基板を高温で加熱する段階を備える請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記１層以上の金属間層を形成するための前記メッキされた基板を加熱する段階は、リードフレームが加熱される半導体のパッケージング工程時に実施される請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記金属間層は、Ｃｕ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５、Ｎｉ３Ｓｎ４、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５から成るグループから選択された化合物を有する請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記スズ層は２０ｎｍ以下の厚さに形成される請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記スズ層は５ｎｍ以下の厚さに形成される請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ニッケル層は５０ｎｍから７５０ｎｍの間の厚さを有する請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記１層以上の保護層は、厚さが１ｎｍから５０ｎｍの間のパラジウム層を有する請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記１層以上の保護層は、厚さが１ｎｍから５０ｎｍの間の金層を更に有する請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記基板は銅または銅合金を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
基板と、
前記基板上のニッケル層と、
前記基板と前記ニッケル層との間のスズ層と、
前記ニッケル層上の１層以上の保護層と、を備えるリードフレーム。
【請求項１３】
前記スズと前記基板と前記ニッケル層とがそれぞれ反応することにより、前記基板と前記ニッケル層との間に形成された１層以上の金属間層を更に備える請求項１２に記載のリードフレーム。
【請求項１４】
前記１層以上の金属間層は、Ｃｕ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５、Ｎｉ３Ｓｎ４、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５から成るグループから選択された化合物を有する請求項１３に記載のリードフレーム。
【請求項１５】
前記スズ層は２０ｎｍ以下の厚さである請求項１２に記載のリードフレーム。
【請求項１６】
前記スズ層は５ｎｍ以下の厚さである請求項１５に記載のリードフレーム。
【請求項１７】
前記ニッケル層は５０ｎｍから７５０ｎｍの間の厚さである請求項１２に記載のリードフレーム。
【請求項１８】
前記１層以上の保護層は厚さが１ｎｍから５０ｎｍの間のパラジウム層を有する請求項１２に記載のリードフレーム。
【請求項１９】
前記１層以上の保護層は厚さが１ｎｍから５０ｎｍの間の金層を更に有する請求項請求項１８に記載のリードフレーム。
【請求項２０】
前記基板は銅または銅合金を含む請求項１２に記載のリードフレーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造時に半導体又は集積回路チップのキャリアとして一般的に用いられるリードフレームに係り、特にメッキされた材料の多重層を備えるリードフレームに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造において、リードフレームは、半導体のパッケージングと一般的に称される段階で、複数の半導体のダイスやチップをマウント及び処理するための支持体として通常は用いられる。リードフレーム上にチップがマウントされた後に、チップとリードフレームとの間に電気的な接続部が形成される。その後、チップとリードフレームの一部は、例えばエポキシ成形コンパウンド（ＥＭＣ）等のプラスチックの成形コンパウンドにより包まれて、電子パッケージを形成する。その後、成形された電子パッケージはマウントされて、半導体チップが外部の回路に電気的に接続される。
【０００３】
図１は、エポキシ成形コンパウンド（ＥＭＣ）により部分的に成形されたリードフレーム装置１００の上面図である。リードフレーム装置１００は、複数のワイヤ１０６をチップ１０８に結合させるための複数の内部配線１０４を有する基板をリードフレームの形で備える。チップ１０８は、通常中心に配置され内部配線１０４に囲まれているダイパッド１１０上にマウントされる。その後、ワイヤが結合されたリードフレームは、ＥＭＣ１１２で封入することによりパッケージされる。ＥＭＣ１１２はリードフレーム装置１００上に部分的に成形されるものとして示されている。封入は、複数の内部配線１０４と、結合されたワイヤ１０６と、チップ１０８と、ダイパッド１１０とを密封することが望ましく、例えば、電磁波や汚染物質、物理的、熱的、電気的ショック等の周囲からの干渉から封入された部材を保護する。リードフレームは更にＥＭＣ１１２により密封されていない複数の外部配線１１４を備える。封入されたリードフレームのユニットの各々が切断によりキャリアレール１１６から分離された後には、複数の外部配線１１４は、外部装置に接続するために必要とされる異なる形状へと形成される。
【０００４】
半導体装置は互いに組み合わせられる多様な構成要素を備えているため、リードフレームの質及び信頼性は、例えば内部配線１０４の結合しているワイヤ１０６との結合性や、外部配線１１４の外部装置とのハンダ付性、ＥＭＣ１１２のリードフレーム１０２の表面との接着性等の特定の基準を達成するためには重要である。質及び信頼性を向上させるために、材料の多重コーティングが一般的にはリードフレーム上にメッキされる。こうしたリードフレームの一つの形状は、一般的にプレメッキリードフレーム（ＰＰＦ）と称される。典型的な実施例においては、ＰＰＦは、銅（Ｃｕ）や銅合金等のベース材料を含んでおり、ベース材料は、例えばニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）や金（Ａｕ）等の貴金属といった異なる金属の複層でメッキされている。
【０００５】
半導体パッケージングから鉛（Ｐｂ）を排除しようという世界的な風潮により、ＰＰＦ技術は環境に優しい技術として普及してきている。その理由は、ＰＰＦリードフレームは、銀（Ａｇ）やスズ／鉛（Ｓｎ／Ｐｂ）の代わりにパラジウム（ＰＤ）をメッキすることにある。パラジウムは下にあるメッキ層を保護するのに役立ち、結合性やハンダ付性を促進するのに役立つ。パッケージング工程の前にメッキによりリードフレーム全体を覆ってもよく、自動パッケージング工程を容易に実施することが可能となる。ニッケルやニッケル合金の層は銅のベース材料とパラジウム層との間にメッキされ、銅がリードフレームの表面に拡散することを防止することにより腐食性をリードフレームに与える。銅は大気と反応して銅酸化物を形成し、リードフレームの質及び信頼性に悪影響を与える。
【０００６】
図２は従来技術の三層にプレメッキされたリードフレームの断面図である。銅や銅合金等のベース材料から成る基板１２２を備える典型的な三層のＰＰＦつまりリードフレーム１２０が示されている。
【０００７】
ニッケル層１２４は基板１２２上にメッキされており、ベース材料から銅が拡散することを防止している。ニッケル層はまた、ハンダやワイヤが非常にしっかりと接着する層である。
【０００８】
その後、例えばパラジウム１２６やその後に続く金１２８といった貴金属を含む２つの層が順次にメッキされ、ワイヤの結合やメッキ付けを促進させるものとして作用する。これらの層は、下にあるニッケル層が酸化することを防止し、ハンダ合金に素早く拡散するためハンダ付性を促進する。
【０００９】
製造業者はメッキ層を出来る限り薄くしてコストを削減することを求めている。従って、当然のこととして、例えばピンホール及び結晶粒界の形で本来備わってしまう有孔性といった材料の欠陥を介して銅のベース材料がリードフレームの表面に容易に拡散してしまう。図２には、基板１２２から三層リードフレーム１２０の表面への銅の移動が示されている。拡散した銅１３０がリードフレーム１２０の表面に到達すると、周囲の大気に触れて酸化する。結果として、ワイヤの結合性とハンダ付け性の劣化がリードフレーム１２０の表面で生じる。
【００１０】
その好ましい性質にも関わらずニッケルを用いると、原材料及び製造サイクル時間の両方の点において、このようなリードフレームを製造するコストが上昇してしまう。ニッケルの厚さを薄くすることには、ベースのリードフレームの表面の粗さを増加させるという利点もあり、ＥＭＣのリードフレームに対する接着性を向上させるために、このような粗さは通常意図的に導入される。しかしながら、ニッケルの使用量が減少すると、リードフレームの表面に拡散する銅の量が増加するため結合性とハンダ付性が劣化するため、信頼性に関する問題が生じてしまう。従って、ベース材料とニッケル層を分離する追加の障害物を導入することにより少なくともメッキ層のニッケルの使用量を減少させ、ベース材料から多重メッキ層を介して銅が拡散することを防止する発明が求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、１層以上のスズに関連する金属中間層を備えるプレメッキされたリードフレームを得ることであり、リードフレームのベース材料がその外側表面に移動することが防止される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１側面によると、本発明は、基板を提供する段階と、基板にスズ層をメッキする段階と、スズ層上にニッケル層をメッキする段階と、その後に、前記ニッケル層上に１層以上の保護層をメッキする段階と、を備えるリードフレームの製造方法を提供する。
【００１３】
本発明の第２側面によると、本発明は、基板と、基板上のニッケル層と、基板とニッケル層との間のスズ層と、ニッケル層上の１層以上の保護層と、を備えるリードフレームを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下において、添付した図面を参照して本発明について詳述する。図面の特徴と図面に関する説明は、特許請求の範囲により決められる本発明の広範な同一性に対する一般性を損なうものではないことは理解されたい。
【００１５】
本発明によるリードフレームの実施例について、添付した図面を参照して説明する。参照する図面においては、同一の部分については同一の符号が付されている。
【００１６】
図３は、本発明の好適な実施例による銅のベース材料とニッケル層との間にスズのメッキ層を備えた半導体のパッケージング用の基板として用いられるプレメッキされたリードフレーム１０の概略的な断面図である。
【００１７】
プレメッキされたリードフレーム１０は、材料の多重層がその上にメッキされる基板１２を備える。基板１２は、好ましくは銅又は銅合金から作られたベース材料を含む。スズ層１４は基板１２上にメッキされ、好ましくは２０ｎｍ以下の厚さを有する。更に好ましくは、スズ層の厚さは５ｎｍ以下である。
【００１８】
その後、ニッケル層１６がスズ層１４上にメッキされ、好ましくは５０ｎｍから２５０ｎｍの間の厚さを有する。好ましくは貴金属を含む１層以上の保護層が、ニッケル層１６上にメッキされることが望ましい。図示した実施例においては、例えばパラジウム１８等の第１貴金属から成る層がニッケル層１６上にメッキされ、好ましくは１ｎｍから５０ｎｍの間の厚さを有する。最後に、例えば金２０等の第２貴金属から成る層がパラジウム層１８上にメッキされ、好ましくは１ｎｍから５０ｎｍの間の厚さを有する。
【００１９】
上述のように各々の層がメッキされたリードフレーム１０を高温で加熱することにより、基板１２とニッケル層１６との間のスズ層１４が、スズ層１４と基板１２との間、及びスズ層１４とニッケル層１６との間の境界で。各々１層以上の金属間層を形成し始める。一般的に、温度を高くすると、１層以上の金属間層を形成する速度が上昇する。
【００２０】
図４は、スズ層１４と基板１２との間に形成された第１金属間層２２、及びスズ層１４とニッケル層１６との間に形成された第２金属間層２４を備えるプレメッキされたリードフレーム１０の概略的な断面図である。第１金属間層２２は、基板１２とスズ層１４との間に形成された例えばＣｕ３ＳｎやＣｕ６Ｓｎ５等の銅とスズの化合物を主に含む。他方、第２金属間層２４は、スズ層１４とニッケル層１６との間に形成された例えばＮｉ３Ｓｎ４等のニッケルとスズの化合物を主に含む。その間には、未反応のスズ層１４が残っていてもよい。
【００２１】
結果として、基板１２とニッケル層１６との間の中間層は、スズから成る薄板構造と、異なる組成の金属間化合物の別々の層とを含み得る。しかしながら、このようになるのは、スズ層が第１金属間層２２と第２金属間層２４とを個別に識別できる程度に十分に厚い場合の時のみであることには留意されたい。
【００２２】
図５は、基板１２とニッケル層１６との間に形成された単一の金属間層２６を備えるプレメッキされたリードフレーム１０を概略的に示す断面図である。金属間層２６は基板１２とニッケル層１６との間に形成された例えばＣｕ３ＳｎやＣｕ６Ｓｎ５等の銅とスズの化合物と、例えばＮｉ３Ｓｎ４等のニッケルとスズの化合物とを含む。更には、例えば（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５等の三元化合物が存在してもよい。従って、金属間層は、Ｃｕ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５、Ｎｉ３Ｓｎ４、並びに（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５から成るグループから選択された化合物を含む。
【００２３】
実際には、スズ層の厚さの制御、処理温度や時間などのパラメータを適切に組み合わせることにより、スズに関連する金属間化合物の単一層を基板１２とニッケル層１６との間に計画的に形成することが可能である。図４を参照すると、リードフレームが更に加熱された際に、金属間層２２、２４は成長し、スズ層１４を巻き込む傾向にある。最終的には、スズに関連する金属間化合物の単一層が形成される。代わりに、スズメッキが例えば５ｎｍ以下というように十分に薄いのであれば、別々の境界に金属間層２２、２４が形成されることなく、直接、単一の金属間層が形成されることもある。結果として得られる金属間層は加熱する温度と時間とに依存して厚さが異なるが、初めにメッキされたスズ層よりも一般的には厚くなる。
【００２４】
メッキされた基板やリードフレームの加熱は、リードフレーム製造時に別個の工程として組み込まれてもよいが、１つ以上のパッケージング工程において元々行われることもある。例えば、ダイを結合する工程、ワイヤを結合する工程、成形工程の際には、リードフレームの加熱は殆んど必ずと言ってよいほど行われるものであり、そこで行われる加熱処理は、ここで説明した１層以上の金属間層を形成するのに十分なものである。従って、本発明の好適な実施例によるリードフレームの製造及び使用においては、リードフレームを出荷及び使用する前に、加熱処理により１層以上の金属間層をまずは形成しなければならないということはない。１層以上の金属間層の形成を、リードフレーム製造工程の一環、またはパッケージング工程の一環として行うことが可能であり、結果として多用性、利便性、選択性が高まる。
【００２５】
この新しい方法の利点は、スズ層が非常に薄い層（最も好ましくは５ｎｍ以下の厚さ）として形成され、それにより、境界に沿って密であり一様である三元の（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５や他のスズベースの金属間化合物の形成を促進する点である。密であり一様でありながら非常に薄い金属間の境界の層は、その上の多重メッキ層、つまりニッケル、パラジウム及び金層に加えて、効果的な拡散バリアとして作用する。よって、銅のリードフレーム表面への拡散が大幅に減少する。
【００２６】
本発明の好適な実施例により製造されたプレメッキされたリードフレーム１０の利点を証明するために、当該分野で採用されている有孔性の試験を行い、その結果を従来技術の対照用のリードフレーム１２０の結果と比較した。試験されるリードフレームに銅が拡散することを促進するために、リードフレームを４５０℃の温度で５分間加熱した。その後、加熱されたリードフレームを硫酸に浸漬させ、酸に溶解した銅の量を測定した。硫酸に溶解した銅が高レベルであることは、リードフレームの表面に拡散した銅の量が多いことを示している。
【００２７】
第１セットの基板（“Ａ型リードフレーム”と称す）を用いて、本発明の好適な実施例により厚さ５ｎｍ以下のスズ層を基板上に形成した。従来技術のリードフレームは対照用として用いられ、ニッケル、パラジウム及び金層のそれぞれに関して比較可能な厚さを有している。表１は双方のリードフレームに対して実施された有孔性の試験結果を示す。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
本発明の好適な実施例により同様にメッキされた他のセットの基板（“Ｂ型リードフレーム”と称す）に対しても実験を繰り返した。試験結果を表２に示す。
【００３０】
【表２】
2007158327.tif 000004
【００３１】
表１及び表２に示された基板の厚さは、リードフレームの各々に対して３箇所の典型的な位置から計６回測定した結果の平均値より得られたものである。
【００３２】
Ａ型及びＢ型リードフレームから硫酸中に溶解した銅の量は、対照用リードフレーム１２０に対する溶解量の三分の一以下であり、プレメッキされたリードフレーム１０上の多重層の完全性が、従来技術の同等物と比較して著しく向上していることを示している。スズの薄い層のみを導入して、その後、銅とニッケル層との間に結果物であるスズに関連した金属間層を形成することにより、このようなことが達成可能である。
【００３３】
それぞれのリードフレームに対して実施された他の試験においては、本発明によるプレメッキされたリードフレーム１０が、ニッケルの使用量が顕著に減少しているにも関わらず、プレメッキされたリードフレーム製造における結合性とハンダ付性の基準をパスしていることが証明された。例えば、スズ層を追加して、１層以上の金属間層を形成するようにしたことのみで、ニッケルメッキの厚さを、当該分野で要求される基準を満たす典型的なリードフレームの厚さである５００ｎｍから２５０ｎｍへと減少可能であることがわかった。ベース材料の銅合金の組成にも依存するが、ニッケル層の厚さは５０ｎｍから７５０ｎｍの間であり、従来技術の方法と比較すると、本発明の好適な実施例による方法を用いることにより、ニッケル層を実質的に減少可能である。従って、用いられるメッキ材料のコストならびにサイクル時間が節約可能である。ニッケル層を薄くメッキすることにより、ベースの粗さに対しての表面の高い適合性が容易に達成され、ＥＭＣのリードフレームへの接着性を促進する。コスト面での明らかな利点及び他の利点により、本発明の好適な実施例によるプレメッキされたリードフレーム１０は、現在一般的に用いられている従来技術のリードフレーム１２０に取って代わるであろう。
【００３４】
明細書で説明した本発明に対しては、明細書内で明確に説明したもの以外にも、変形、修正、追加が可能であり、本発明は明細書の精神と範囲内に落としこめるこのような変形、修正、追加を包括していることは理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】エポキシ成形コンパウンド（ＥＭＣ）により部分的に成形されたリードフレーム装置１００の上面図である。
【図２】従来技術の三層プレメッキリードフレームの概略的な断面図である。
【図３】本発明の好適な実施例による銅のベース材料とニッケル層との間にメッキされたスズ層を備える半導体パッケージング用の基板として用いられるプレメッキされたリードフレームの概略的な断面図である。
【図４】スズ層と基板との間、及びスズ層とニッケル層との間に形成された金属間層を備える図３のプレメッキされたリードフレームの概略的な断面図である。
【図５】基板とニッケル層との間に形成された単一の金属間層を備えるプレメッキされたリードフレームの概略的な断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  リードフレーム
１２  基板
１４  スズ層
１６  ニッケル層
１８  パラジウム層
２０  金層
２２  第１金属間層
２４  第２金属間層
２６  金属間層
１００  リードフレーム装置
１０２  リードフレーム
１０４  内部配線
１０６  ワイヤ
１０８  チップ
１１０  ダイパッド
１１２  ＥＭＣ
１１４  外部配線
１１６  キャリアレール
１２０  リードフレーム
１２２  基板
１２４  ニッケル層
１２６  パラジウム層
１２８  金層
１３０  銅
【図２】
2007158327.tif 000005
【図３】
2007158327.tif 000006
【図４】
2007158327.tif 000007
【図１】
2007158327.tif 000008
【図５】
2007158327.tif 000009