JP3760075B2 - 半導体パッケージ用リードフレーム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体パッケージ用リードフレームと該リードフレームの製造方法に関するものであり、特に、金属基板の表面に形成される最外部めっき層が改善されたプリめっきリードフレーム(Pre-Plated lead Frame)及び該リードフレームのめっき方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
リードフレームは半導体チップと共に半導体パッケージを構成するものであって、半導体チップを支持すると同時にチップと外部回路とを電気的に接続する。
【0003】
図1にはかかるリードフレームの一例が示されている。図に示すように、リードフレーム10はパッド11、内部リード(inner lead)12及び外部リード(outer lead)13を具備する。通常、このようなリードフレームはスタンピング(stamping)またはエッチングによって製造することができる。
【0004】
図2に示すように、前記パッド11上には半導体チップ15が設けられ、このチップ15は内部リード12とワイヤボンディングで接続され、外部リード13は外部回路と電気的に接続される。次いで、前記チップ15と内部リード12とが樹脂14でモールディングされて半導体パッケージ16を形成する。
【0005】
このような半導体パッケージの製造において、前記チップ15と内部リード12とのワイヤボンディング特性、及びパッド11の特性を向上させるべく、パッド11と内部リード12の端部を銀(Ag)のような金属でめっきする。また、プリント回路基板(PCB)への半導体パッケージの実装時のはんだ付け性を向上させるために、外部リード13の所定領域にすず(Sn)及び鉛(Pb)からなるはんだを塗布する。しかし、このようなめっきやはんだ付けは、樹脂モールディングの後に湿式プロセスによって行われるため、製品の信頼性が低下する問題がある。
【0006】
上記問題を解決するためにプリめっきフレームの使用が提案された。このプリめっき技術では、半導体パッケージプロセスの前に、リードフレームにはんだ濡れ性(solder wettability)に優れた材料を予めめっきして、めっき層を形成する。
【0007】
図3は、既存のプリめっき技術により製造されたリードフレームの一例を示す図である。日本国特許第1501723号に開示されたこの従来のリードフレーム20では、図3に示すように、銅(Cu)または銅合金からなる金属基板21上に、中間層のニッケル(Ni)めっき層22と最外層のパラジウム(Pd)めっき層23とが順次積層されている。
【0008】
上述のように構成されたリードフレーム20では、金属基板21のCuまたはFe成分がリードフレームの表面に拡散して銅酸化物または銅硫化物が生成されるのを、Niめっき層22が防止する。また、前記Pdめっき層23は、はんだ付け性に優れた材料から形成されたものであり、Niめっき層22の表面を保護する役目を果たす。
【0009】
このリードフレーム20の製造においては、めっきを行う前に前処理を行なうが、金属基板21の表面に欠陥が存在する場合、欠陥の無い他の領域と比較して欠陥部分の表面のエネルギーが高くなるため、この欠陥部分においてはNiめっき層のめっきが局部的に他の領域より急速に進行し、他の領域との統一性が低下して、めっき層の表面が粗くなる。特に、欠陥部分に形成されたNiめっき層の表面にPdめっき層を電気めっきする場合、Pdの析出電位が水素の析出電位に近いために、Pdめっきの際にPdめっき層に多量の水素の泡が混入し、このためPdめっき層の欠陥が更に悪化する。このようなPdめっき層の欠陥によってNiめっき層の酸化が起こるとともに、ワイヤボンディング性及びはんだ付け性が低下する。このような欠陥の他、半導体パッケージ製造のための熱プロセスにより、リードフレームにおける層間の拡散が生じ、はんだ付け性が低下する問題が生ずることがある。また、熱プロセスによって最外層のPdめっき層の表面の酸化が起こり、Pdの本来の良好なはんだ付け性が低下し得る。
【0010】
上述の問題を解消するべく提案された、プリめっき技術によって製造される別のリードフレームの例を図4に示す。図4に示すリードフレーム20’では、Pdめっき層23の上面に金(Au)の薄膜層24が形成されている。この例では、Auの高い耐酸化性を利用してPdめっき層23の表面の酸化を効果的に防止し、はんだ付け性を向上させている。
【0011】
上述の構成では、Pdめっき層の上に金をめっきすることによって、半導体パッケージ製造における熱プロセスによってPdめっき層の表面が酸化されるのを防止し、完成した半導体パッケージを基板に実装する際のはんだ付け性の低下の問題を解決しようとしている。Auをめっきすることに加えて、Auをめっきする層の表面の形状が、Auめっきの効果を改善するために重要な点である。しかし、既存のAuめっき技術では、Pdめっき層上に均一なめっき層を形成するのが困難である。また、Pdの酸化を防止するために、Auめっき層は、通常少なくとも7.62nm(0.3マイクロインチ)の厚みに形成する。しかし、このような厚いAuめっき層は、半導体アセンブリ用のEMC(Epoxy Molding Compound)樹脂でモールディングへの悪影響、具体的にはリードフレームの最外層のAuめっき層とモールディング樹脂の接着に悪影響を及ぼす。一般に、EMC樹脂のモールディングにおいて、EMC樹脂は純粋な金属や合金との親和性が低い。また、AuはPdと比較して耐酸化性が高いため、EMCモールドとAuめっき層との接着性が低下する。このようにAuめっき層と樹脂との接着性が低いために、モールド剥離不良が起こりやすくなり、製品の信頼性が低下する。
【0012】
別の点から言えば、また貴金属のAuを全面に厚くめっきすることは、コストが嵩む原因となる。また、Pdの酸化防止層としてのAuめっき層によって、半導体チップのダイへの接着力が相対的に低下する。但し、Auめっき層によって、はんだ付けの際のはんだ濡れ性を、従来のリードフレームと比較して向上するが、はんだ付けの際に起こるAuめっき層のAuと錫(Sn)との相互作用により、Auめっき層が局部的に脆性を有することになり、PCBに実装後の外部の衝撃によりはんだ付け部位が破損しやすくなる。
【0013】
これらの問題の解決のために、局部的なめっき、即ち外部リード部分のみをAuめっきすることが提示されたが、このような局部めっきには、マスクを通してめっきを行うことが必要なので、生産性を低下させるとともに、そのためのコストが嵩むことになる。このため、Auめっきのためのコストを犠牲にして、中間Pdめっき層の酸化防止のために中間Pdめっき層上全体へのAuめっきが行われてきた。
【0014】
上述の問題点を解決したリードフレームが米国特許第5,767,574号に開示されている。このリードフレームでは、金属基板の上面にNiめっき層が形成され、このNiめっき層の上面にPd薄膜層を形成され、最外部にPd合金めっき層が形成されている。前記Pd合金めっき層はAuとPdの合金からなる層であり、これによりPdの酸化の問題及びAuのコストの問題が解決することができる。このリードフレームでは、最外層にAuを限定的に用いることにより、半導体パッケージの樹脂接合性を向上させ、プリント回路基板への実装後に局部的な破損が生ずる可能性を最小限にしている。しかし、前記最外層の形成において、Pdベースの最外層にAuをめっきする際、最外層に水素の気泡が入るのを効果的に防止することは困難である。最外層において水素気泡が原因で孔が生ずると、最外層が、下層をなすPdめっき層を効果的に保護することができなくなる。更に、この孔の存在のために、熱プロセスの際に、ワイアボンディングの強度(wire bonding strength)とはんだ付け性が低下する。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点を解決するためのものであって、はんだ付け性、ワイヤボンディング性及び半導体パッケージの樹脂接合性を同時に向上させ、Pd層の保護機能を高めた半導体パッケージ用リードフレーム及び該リードフレームの製造方法を提供するにその目的がある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によれば、金属基板の上面にニッケル(Ni)またはニッケル(Ni)合金よりなる保護層を形成する段階と、
前記保護層の上面にパラジウム(Pd)またはパラジウム(Pd)合金よりなる中間層を形成する段階と、
前記中間層の上面にパラジウム(Pd)と金(Au)とを交互にめっきすることによってPd粒子とAu粒子とが共存する混合層を最外層として形成する段階とを含むことを特徴とする半導体パッケージ用リードフレームの製造方法が提供される。
【0017】
前記最外層のめっきを行う際に、Pd、Au、Pd、Auの順にめっきするか、或いはAu、Pd、Au、Pdの順にめっきするのが好ましい。
【0018】
前記最外層を形成する段階では、初めに、パルス電流を印加することにより、前記中間層の核形成部位にもにみPdをめっきし、次いで堆積したPd粒子の間の空間を埋めるようにAuを堆積させる。Au析出電位がPd析出電位より低いため、Pd粒子の間へのAuの電気めっきが容易に行えることになる。
【0019】
本発明の別の実施例によれば、前記保護層の上面に形成されたパラジウム(Pd)よりなる中間層と、
前記中間層の表面の一部が露出されるように前記中間層の表面上に部分的に形成された金(Au)または金(Au)合金めっき部とを含んでなることを特徴とする半導体パッケージ用リードフレームが提供される。
【0020】
別の実施例では、金属基板の上面にニッケル(Ni)またはニッケル(Ni)合金よりなる保護層と、
前記保護層の上面に形成されたパラジウム(Pd)及び金(Au)よりなる最外層とを有することを特徴とする半導体パッケージ用リードフレームが提供される。
【0021】
PdまたはPd合金からなる中間層の形成及びAuまたはAu合金めっき部の形成においては、高いパルス電流の印加、スパッタリングまたは化学蒸着技術が用いられる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0023】
本発明による半導体パッケージ用リードフレームの好ましい実施例の1つを図5に示す。図に示すように、銅(Cu)、Cu合金または鉄−ニッケル(Fe−Ni)系合金の何れかで形成された金属基板31の上面に、ニッケル(Ni)またはNi合金よりなる保護層32が形成される。前記保護層32の上面にはパラジウム(Pd)またはPd合金よりなる中間層33が形成され、中間層33の上面には、Pd粒子とAu粒子とを含む最外層34が形成される。前記最外層34はPdまたはAuを交互にめっきすることによって形成することができる。
【0024】
本発明によるリードフレームの他の実施例を図6に示す。図6のリードフレーム40は、金属基板41と、金属基板41の上面に形成された、NiまたはNi合金よりなる保護層42と、保護層42の上面に形成された、Pd粒子とAu粒子とを含む最外層43とを含む。
【0025】
上記の2つの実施例において、最外層の金属は、Pd及びAuに限定されない。例えば、Auの代りにAgを使用し得る。
【0026】
図7は、本発明によるリードフレームのさらに別の実施例を示す。図に示すように、リードフレーム50では、金属基板51の上面にNiまたはNi合金よりなる保護層52が形成され、保護層52の上面にはPdまたはPd合金よりなる中間層53が形成される。Pd及びPd合金よりなる中間層53の上には、図8に示すように、部分的にAuまたはAu合金が薄くめっきされためっき部54が形成される。前記めっき部54の厚みは、原子数個分の高さに等しい厚みである。図8に示すように、中間層53の上面に部分的にめっき部が形成されると、前記中間層53の表面にはめっき部54の領域と、めっきされずに露出された領域とが形成されることになる。前記Au合金としてはAu−Pd、Au−Ag合金等が望ましい。
【0027】
本発明によるリードフレームの製造方法の一実施例を図9A乃至図9Cに示す。本発明のリードフレームの製造方法では、まず、図9Aに示すように、リードフレーム30を作るためのCu、Cu合金、またはFe系合金からなる金属基板31を用意し、この金属基板31の上面にNiまたはNi合金よりなる保護層32を形成する。次に、図9Bに示すように、前記保護層32の上面にPdまたはPd合金を用いて中間層33を形成する。ここで、前記保護層32と中間層33をめっきするためには、パルス電流を印加することにより、或いはスパッタリング法または真空蒸着法によってめっきする。次に、中間層33の上面に、Pd粒子とAu粒子が共存する最外層34を形成する(図9C参照)。最外層34は、パルス電流を印加してめっきすることにより形成する。即ち、電流密度及びめっき処理時間を調節することにより、保護層32上の核形成部位にのみパラジウム(Pd)を堆積させ、中間層33の表面上にPd粒子がスポット状に点在するようにする。
【0028】
次に、この状態で金(Au)を堆積させ、被着されたPd粒子の間の空間を堆積したAuが埋めるようにする。Au析出電位がPd析出電位より低いため、Pd粒子の間へのAuの電気めっきが容易に行えることになる。Auの電気めっきの終了後、再度Pdを堆積させて、AuとPd粒子の間に存在し得、不安定なリードフレームが形成される原因になり得る孔、つまりマイクロクラックをPdで埋め、中間層33の上の最外層34が完成する。
【0029】
中間層の上に最外「層」を形成する代りに、図8に示すように、中間層53の上に分散させた複数のめっき「部」54を、AuまたはAu合金のめっきにより形成することもできる。
【0030】
上述のように、PdとAuをPd、Auの順またはAu、Pdの順に交互にめっきすることによって、本発明のリードフレームのPdとAuの粒子が共存する最外層34を形成することができる。この最外層を形成する電気めっき過程の間にパルス電流を印加するが、このパルス電流は、所定の時間間隔で周期的に正のパルス波が流れる矩形波電流である。或いは、このパルス電流は、所定の時間間隔で周期的に正負が逆転する反転パルス矩形波電流であり得る。この場合、正のパルスと負のパルスとの間に所定の時間間隔をおいてもよい。また、このパルス電流の波形は、正のパルスと負のパルスが交番するとともに、正のパルス及び負のパルスのそれぞれが小さいパルス列で変調されてもよい。
【0031】
図8に示すように、PdまたはPd合金よりなる中間層53の平坦性を向上させるべく、リードフレーム50を高速パルスを印加することによって形成する。また中間層53の上面の、AuまたはAu合金よりなるめっき部54の形成は、高速パルス電流を印加することにより、或いはスパッタリングまたは蒸着等により行うことができる。
【0032】
上述のような、本発明のリードフレームを用いた半導体パッケージの製造では、熱プロセスにおいてNiまたはNi合金よりなる保護層32のNiが最外層34に拡散するのを中間層33によって遮断できるので、リードフレームの酸化や腐蝕を防止することができる。
【0033】
前記中間層33の上面に形成された最外層34、または前記めっき部54が形成された中間層53の上面ではPd粒子とAu粒子が共存しており、AuとPdの優れたワイヤボンディング性が得られる。また、初期熱プロセスで酸化されるPdが占める最外層上の面積が小さくなるので、ワイヤボンディングにおける従来の問題点を解消し得る。また、ワイヤボンディング後にPdが酸化されるため、最外層34の表面とモールド樹脂との親和力が向上し、優れた樹脂接合性が得られる。また、PdとAuとを交互にめっきすることによって水素の気泡が除去され、Pdからなる中間層33の保護機能が向上する。また、最外層34におけるPdとAuの相互作用により、最外層をAuのみで形成した場合と比較して、はんだ付け性とボンディング性が向上する。また、AuまたはAu合金層はできる限り薄く形成するので、コストの嵩む貴金属のAuの使用量を少なくし、製造コストを減らすことができる。
【0034】
【実施例】
次に、本発明によるリードフレームの効果を以下の実施例によって示す。
【0035】
実施例1
本実施例においては、本発明のリードフレームとして、Pdめっき中間層を5.08nm(0.2マイクロインチ)の厚さに形成し、その上面にPd粒子とAu粒子が共存する最外層を形成したものを使用した。比較例としてはPd中間層上にAuのみをめっきした最外層を有する第1比較例と、Pdめっき層を最外層とする第2比較例と、Pd中間層上にPd−Auをめっきした第3比較例とを使用した。
【0036】
はんだ付け性の試験では、250℃で5分間ベーキングし、270℃で1時間硬化させて、フレームのリードを曲げ加工(bending)した後、175℃で1時間硬化させた。そして、95℃で8時間スチームエージング処理(steam aging)を行った。ワイヤボンディング力の試験では、ボンディングに使用したAuワイヤの直径は1mmで、チップ部位及び内部リードに加えられたボンディングパワー(bonding power)及びボンディング力(bonding force)は、各々90mW、100mN及び90mW、100mNであった。そして、チップ部位と内部リードにおけるボンディング時間は各々15ミリ秒と20ミリ秒であった。
【0037】
上記の条件でボンディングされたワイヤに対して、リードフレームの内部リードとチップのボンディング部中間地点で引張り試験を行った。破断強度と各リードの表面のはんだ付け性に対する測定結果を表1に示す。
【0038】
【表1】
表1から、本発明のリードフレームでは、ワイヤボンディング性とはんだ付け性が大きく向上していることが分かる。
【0039】
実施例2
本実施例においては、本発明のリードフレームとして、Pdめっき中間層を5.08nm(0.2マイクロインチ)の厚さに形成し、その上面にPd粒子とAu粒子が共存する最外層を形成したものを使用した。比較例としては、Pdめっき中間層を20.32nm(0.8マイクロインチ)の厚みに形成し、その上にAuをめっきした最外層を形成した第1比較例と、5.08nm(0.2マイクロインチ)の厚さに形成したPdめっき層の上に層を形成せず、Pd層を最外層とした第2比較例とを使用した。
【0040】
はんだ付け性の試験では、360℃で1分間ベーキングした。ワイヤボンディング力の試験では、ボンディングに使用したAuワイヤの直径は1mmで、チップ部位及び内部リードに加えられたボンディングパワー及びボンディング力は各々90mW、100mN及び90mW、100mNであった。そして、チップ部位と内部リードにおけるボンディング時間は各々1ミリ秒と20ミリ秒である。
【0041】
上記の条件でボンディングされたワイヤに対して、リードフレームの内部リードとチップのボンディング部の中間地点で引張り試験を行った。破断強度と各リードの表面に対するはんだ付性についての測定結果を表2に示す。
【0042】
【表2】
表2から、本発明のリードフレームでは、ワイヤボンディング性とはんだ付け性が大きく向上していることが分かる。
【0043】
実施例3
実施例1で製作したリードフレームについて、最外層と樹脂との接着力を試験した。実施例1に使用した本発明のリードフレームと第1、2比較例を使用し、市販の2種の熱硬化性樹脂(SL7300及びT16BC)によりモールディングを行った後にリードフレームと樹脂との接着力を試験した。試験の結果を図10に示す。
【0044】
図10に示すように、両樹脂について、本発明のリードフレームのAuとPd粒子が共存する最外層と樹脂との間の接着力が最大となることが分かった。
【0045】
実施例4
本発明のリードフレームとして、Cuからなる金属基板上にNiよりなる保護層及びその上のPdよりなる中間層とを各々762nm(30マイクロインチ)及び20.32nm(0.8マイクロインチ)の厚さに形成し、その上に約0.762nm(約0.03マイクロインチ)の厚さのAuまたはAu合金よりなるめっき部を、それが分散して存在するように形成したものを使用した。
【0046】
第1比較例として、通常のPPFリードフレームの上に全体にAuまたはAu合金よりなるめっき部が7.62nm(0.3マイクロインチ)の厚さに形成されたものを使用し、第2比較例として、Niよりなる保護層とPdよりなる中間層を各々762nm(30マイクロインチ)と25.4nm(1.0マイクロインチ)の厚さに形成し、その上にめっき部を有していないものを使用した。
【0047】
はんだ付け性の試験では、リードフレームを275℃で1時間硬化させ、フレームのリードを曲げ加工した後、再び175℃で2時間硬化させ、95℃で8時間スチームエージングを行った。一方、ワイヤボンディング力の試験では、ボンディングに使用したAuワイヤの直径は1mmであり、チップ部位及び内部リードにおけるボンディングパワーとボンディング力は各々90mW、100mN及び90mW、100mN、ワイヤボンディングを行った温度は215℃であった。そしてチップ部位と内部リードにおけるボンディング時間は各々15ミリ秒と20ミリ秒であった。
【0048】
はんだ付け性試験では、外部リード部分を245℃のRフラックス(flux)に5秒間浸漬して取り出した後に外部リード部分に残留するフラックスの割合(%)の測定し、次に上記の条件でボンディングされたワイヤに対して、リードフレームの内部リードとチップのボンディング部の中間地点で引張り試験を行い、破断強度を測定した。測定結果を図11に示す。
【0049】
図11においては、棒グラフははんだ付け性を表し、線はワイヤボンディング力、即ちワイアボンディング強度を表す。第1比較例は60%のはんだ付け性と、2.69gfのワイヤボンディング強度を示し、第2比較例は80%のはんだ付け性と2.69gfのワイヤボンディング強度を示す。一方本発明のリードフレームは100%のはんだ付け性と5.91gfのワイヤボンディング強度を示す。
【0050】
実施例5
リードフレームのリード間ピッチや、チップサイズが小さくなるにつれてワイヤボンディングに用いられるキャピラリーのサイズも小さくなるとともに、ボンディング時加えられるパワーや力が小さくなる。このような小さいパワーや力を用いる場合の、本発明によるリードフレームと従来のリードフレームのボンディング強度を比較した。
【0051】
本試験で使用されたキャピラリーの直径は80マイクロメートルであり、本発明によるリードフレームとして、Pd中間層のめっき厚さを25.4nm(1.0マイクロインチ)に形成し、その表面にめっき部を前述した方法により形成したものを使用した。比較例には、最外部のPdめっき部を30.47nm(1.2マイクロインチ)の厚さに形成したものを使用した。ボンディングに使われたワイヤの直径は0.8mm、ボンディング時の温度は200/220℃、パワーは60/80mW、力は60/80mN、ボンディング処理時間は15/20ミリ秒であった。
【0052】
ボンディング強度の測定結果を表3に示す。表3のように、本発明のリードフレームのボンディング力の最小値は3gfであって比較例の1.75gfより向上していることが分かった。
【0053】
【表3】
本発明を、実施例に基づいて説明してきたが、ここに示す実施例は例示的なものに過ぎず、当業者であれば様々な実施形態の改変が可能であることを理解できるであろう。従って、本発明の真の範囲は特許請求の範囲の記載のみによってにのみ決まるものである。
【0054】
【発明の効果】
上記のように、本発明による多層めっき構造を有するリードフレームは、Auめっき層が有する長所とPdめっき層が有する長所とを兼ね備えており、従来のリードフレームと比較してワイヤボンディング性、はんだ付け性及び樹脂との接着性が向上し、かつ製造コストも低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一般的なリードフレームの平面図である。
【図2】半導体パッケージの一部を破断させて示した斜視図である。
【図3】従来のリードフレームの断面図である。
【図4】別の従来のリードフレームの断面図である。
【図5】本発明によるリードフレームの一実施例を示す断面図である。
【図6】本発明によるリードフレームの別の実施例を示す断面図である。
【図7】本発明によるリードフレームのさらに別の実施例を示す断面図である。
【図8】図7のリードフレームの一部を拡大して示した斜視図である。
【図9】A乃至Cよりなり、何れも本発明によるリードフレームの製造方法における一段階を示す断面図である。
【図10】半導体パッケージのリードフレームと樹脂との接着力を示すグラフである。
【図11】本発明のリードフレームと比較例のはんだ付け性を示すグラフである。
【符号の説明】
10 リードフレーム
11 パッド
12 内部リード
13 外部リード
14 樹脂
15 半導体チップ
16 半導体パッケージ
20、20’ リードフレーム
21 金属基板
22 Niめっき層
23 Pdめっき層
24 Au薄膜層
30 リードフレーム
31 金属基板
32 保護層
33 中間層
34 最外層
40 リードフレーム
41 金属基板
42 保護層
43 最外層
50 リードフレーム
51 金属基板
52 保護層
53 中間層
54 めっき部
Claims (3)
- 金属基板の上面にニッケル(Ni)またはニッケル(Ni)合金よりなる保護層と、
前記保護層の上面に形成されたパラジウム(Pd)よりなる中間層と、
パルス電流による前記中間層の全面へのめっき処理によって前記中間層上に形成された金(Au)または金(Au)合金めっき部であって、印加する前記パルス電流の電流密度及びめっき処理時間を調節することにより前記中間層の表面の一部が露出されるように前記中間層の表面上に分散して存在する形態で形成された、該金(Au)または金(Au)合金めっき部とを含んでなることを特徴とする半導体パッケージ用リードフレーム。 - 前記めっき部の厚さが、0.762nm(0.03マイクロインチ)以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体パッケージ用リードフレーム。
- 前記Au合金が、金−パラジウム(Au−Pd)合金または金−銀(Au−Ag)合金であることを特徴とする請求項1に記載の半導体パッケージ用リードフレーム。
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