用于無鉛焊料連接的引線框架結構的制作方法
【專利說明】用于無鉛焊料連接的弓I線框架結構
[0001]相關串請的交叉引用
[0002]本申請要求享有2013年5月3日提交的名稱為“LEAD FRAME CONSTRUCT FORLEAD-FREE SOLDER CONNECT1NS”的臨時申請號61/819，281的優先權，該申請通過全文引用的方式并入本文中。
技術領域
[0003]本公開涉及電子封裝裝置，并且特別地涉及使用無鉛焊料形成在芯片與引線框架之間的焊接連接，以及引線框架結構和制造電子封裝裝置的方法。
【背景技術】
[0004]焊料材料用在各種電機和電子設備的制造和組裝中。在過去，焊料材料已經通常包括大量的鉛以提供具有諸如熔點、潤濕性質、延展性和熱導率的所需性質的焊料材料。也已經開發了一些錫基焊料。更近一些，已經嘗試生產提供所需性能特性的無鉛和無錫的焊料材料。
[0005]在電子制造工業中，焊料材料用于在芯片與引線框架之間做出焊接連接。無鉛焊料的一個系列是鋅基焊料，其是包括作為主要成分的鋅連同諸如鋁和/或附加元素的其他合金元素的合金，如例如名稱為“Lead-Free Solder Composit1ns”的轉讓給本發明的受讓人的美國專利申請序列號13/586，074 (美國專利申請公開號2013/0045131)中所討論的那樣，該申請的全部公開內容通過引用明確地并入本文中。
【發明內容】
[0006]本公開提供了一種電子封裝裝置、供電子封裝裝置里使用的引線框架結構、以及用于制造電子封裝裝置的方法。
[0007]例如由銅制成的引線框架包括例如鎳的金屬阻擋層以防止引線框架的金屬的氧化。例如銅的相對薄的潤濕促進層被提供在金屬阻擋層上以促進諸如無鉛、鋅基焊料的焊料在通過其將芯片連接至引線框架的管芯連接工藝期間均勻潤濕至引線框架上。銅/鋅金屬間層在焊料的流動和固化期間形成。銅層中基本上所有的銅在銅/鋅金屬間層的形成期間被消耗，并且金屬間層足夠薄以在電子封裝裝置的制造和隨后使用期間抵抗內部破裂故障。
[0008]本公開在其一個形式中提供了一種電子封裝結構，包括具有表面的引線框架；布置在引線框架的表面上的金屬阻擋層；經由鋅基焊料層連接至金屬阻擋層的芯片；以及布置在金屬阻擋層和鋅基焊料層之間的金屬間層，金屬間層包括包含鋅的金屬間化合物。
[0009]本公開在其另一形式中提供了一種制造電子封裝裝置的方法，所述方法包括下述步驟:提供引線框架，該引線框架包括布置在引線框架的表面上的金屬阻擋層，以及布置在金屬阻擋層上的潤濕促進層；通過以下步驟將芯片連接至引線框架:在潤濕促進層之上使鋅基焊料流動；在鋅基焊料上放置芯片；以及用在鋅基焊料和金屬阻擋層之間的金屬間層的形成固化鋅基焊料，金屬間層包括包含鋅的金屬間化合物。
[0010]本公開在其進一步形式中提供了一種引線框架結構，包括具有表面的引線框架；布置在引線框架的表面上的金屬阻擋層；以及布置在金屬阻擋層上的潤濕促進層。
[0011]在其又進一步形式中，本公開提供了一種制造引線框架結構的方法，方法包括下述步驟:提供具有表面的引線框架；在引線框架的表面上形成金屬阻擋層；以及隨后，在金屬阻擋層上形成潤濕促進層。
【附圖說明】
[0012]參考結合附圖的本公開的實施例的以下描述，本公開的上述和其他特征以及實現它們的方式將變得更加顯而易見并且將被更好理解，其中:
[0013]圖1A是包括連接至引線框架的芯片的示例性電子封裝裝置的示意性橫截面視圖；
[0014]圖1B是圖1A的一部分的局部視圖；
[0015]圖2A是用在圖1A和IB的電子封裝裝置中的示例性引線框架結構的示意性橫截面視圖；以及
[0016]圖2B是圖2A的一部分的局部視圖。
[0017]圖3和4對應于示例I，其中:
[0018]圖3是具有2μπι厚度的銅層的引線框架結構的橫截面光學顯微圖像；以及
[0019]圖4是具有8μπι厚度的銅層的引線框架結構的橫截面光學顯微圖像。
[0020]圖5-7對應于示例2，其中:
[0021]圖5是潤濕至圖3的引線框架上的鋅基焊料的圖像；
[0022]圖6是潤濕至圖4的引線框架上的鋅基焊料的圖像；以及
[0023]圖7是潤濕至包括鎳阻擋層但是缺乏銅層的控制引線框架上的鋅基焊料的圖像。
[0024]圖8-11對應于示例3，其中:
[0025]圖8是固化至圖5的引線框架上的鋅基焊料的掃描電鏡(SEM)橫截面圖像；
[0026]圖9Α、9Β和9C是分別對應于針對鎳、銅和鋅的圖8的X射線線掃描元素分析的一系列繪圖；
[0027]圖10是固化至圖6的引線框架上的鋅基焊料的掃描電鏡(SEM)橫截面圖像；以及
[0028]圖1lAUlB和IlC是分別對應于針對鎳、銅和鋅的圖10的X射線線掃描元素分析的一系列繪圖。
[0029]對應的附圖標記遍及若干視圖指示對應的部分。本文中陳述的例證說明了本公開的實施例并且這樣的例證不要被解釋為以任何方式限制本發明的范圍。
【具體實施方式】
[0030]參照圖1A和1Β，示出了根據本公開的示例性電子封裝裝置10的示意性橫截面視圖，包括經由以下描述的類型的多層焊接連接、并且特別是包括無鉛、鋅基焊料的焊接連接而連接至引線框架14的芯片12 (即，集成電路和/或微處理器)。
[0031]在通過其芯片經由焊接連接而連接至引線框架結構16以形成圖1A中示出的電子封裝裝置10的管芯連接工藝中使用之前的根據本公開的引線框架結構16被示出在圖2Α和2B中。引線框架結構16包括形式為金屬、導電性襯底的引線框架14，一個或多個芯片可以附接至引線框架14，并且引線框架14和/或所附接的芯片也可以包括與其連接的電引線或其他部件(未示出)。引線框架14通常由純銅或銅合金制成。
[0032]當引線框架14由純銅或銅合金制成時，然而，引線框架14的銅的表面一旦與大氣中氧氣接觸則將傾向于自然地氧化為氧化銅，由此形成氧化銅層。氧化銅是電絕緣的，這可能降低引線框架14的電導率，并且所形成的任何氧化銅層也可能阻礙在管芯連接工藝期間液體焊料潤濕引線框架14的表面的能力和/或可能損害引線框架14和芯片12之間得到的連接的完整性。
[0033]引線框架14配備有在引線框架14的至少一個表面上、以及取決于應用任選地在引線框架14的相對表面的每一個上的金屬阻擋層18，以便于防止下層引線框架14的金屬的氧化。阻擋層18可以由與引線框架14的金屬相比具有減小的氧化傾向的金屬制成。在一個實施例中，阻擋層18由純鎳或鎳合金制成。因此，阻擋層18覆蓋引線框架14的表面并且防止引線框架14的金屬接觸周圍環境和自然地與氧氣進行氧化。此外，如以下討論的，阻擋層18也用于防止引線框架14的金屬接觸在管芯連接工藝期間用于將芯片12固定至引線框架14的焊料，這導致在引線框架14的金屬與焊料的(一個或多個)金屬之間形成金屬間化合物。
[0034]阻擋層18可以通過鍍敷工藝諸如經由電鍍或化學鍍形成在引線框架14上。此外，阻擋層18可以以連續或覆蓋(blanket)的方式形成在引線框架14的整個表面之上，或者備選地可以選擇性形成在引線框架14的表面的管芯焊墊區域和/或其他選擇區域之上。
[0035]在電鍍工藝中，引線框架14是在要沉積的溶解金屬的溶液的電鍍浴中的陰極。要沉積的金屬通常是陽極。一旦施加電流，浴液中溶解的金屬離子被還原并且沉積至引線框架陰極上以形成阻擋層18。
[0036]在一個實施例中，氨基磺酸鹽電解質浴液可以包含溶解的鎳，并且電鍍浴也可以缺乏通常以例如增亮劑形式存在的有機添加劑。前述浴液的使用導致具有稍微粗糙或“不光滑”涂層的沉積金屬表面。
[0037]備選地，可以使用化學沉積工藝，其不在存在所施加的電流的情況下進行，而是采用諸如水合次磷酸鈉(NaPO2H2.H2O)的還原劑以還原來自溶液的所沉積的金屬的離子并且沉積金屬至引線框架14的表面上的自動催化反應。根據這樣的工藝鍍敷至引線框架上的鎳阻擋層可以稱為“化學鍍的鎳”層，并且通常將是包括例如與約2-4重量％的磷形成合金的鎳的鎳合金。
[0038]通常，阻擋層18的厚度至多10微米(μπι)，諸如在I μπι和10 μπι之間。在一個實施例中，阻擋層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對之間定義的任何范圍內的厚度。
[0039]參照圖2Α和圖2Β，引線框架結構16包括潤濕促進層20，其可以備選地稱為潤濕促進“毛刺(flash)”，并且出于以下討論的原因而可以與阻擋層18相比相對薄。潤濕促進層20形成在阻擋層18上以當液體焊料在管芯連接工藝期間流動至引線框架14上時幫助液體焊料以均勻方式潤濕在引線框架14之上。
[0040]潤濕促進層20可以是銅或銅合金層，盡管可以備選地是鋅、鉍、錫、銦或貴金屬諸如金、銀、鈀、鉑，以及前述的合金的層。特別地，已經發現，某些焊料合成物以及特別是在本文中公開的類型的鋅基焊料合成物非常均勻和有效地潤濕在銅或銅合金表面之上。如果需要的話，引線框架結構16可以在用在管芯連接工藝中之前在惰性環境中被封裝以防止潤濕促進層20的氧化。如果除了促進焊料潤濕之外需要抗氧化，則層20可以備選地是金、鉑、鈀、釕或銀的層。
[0041]層20可以具有至多10微米(μπι)諸如在Ιμπι和ΙΟμπι之間的厚度。在一個實施例中，銅層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對之間定義的任何范圍內的厚度。
[0042]類似于其中阻擋層18形成在引線框架14上的方式，層20可