專利名稱：增強塑料封殼對含銅引線底板的附著力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及安裝在含銅引線底板上的塑封電氣器件的制造方法，更具體地說，涉及一種增強塑料封殼在引線底板上附著能力以減少發(fā)生從底板上脫層的方法。
在電氣工業(yè)，尤其是在電子工業(yè)中，含銅引線底板被大量用作電氣元件尤其是半導體元件的基座。塑料封殼則被用來為制成的器件提供環(huán)境保護。
功率晶體管或可控硅是采用含銅引線底板的塑封器件的典型例子子。一個帶有所需的晶體管或可控硅半導體芯片，安裝在引線底板的芯片臺面部分，而各種連接導線跨接在芯片接點與引線底板接點之間間。然后將塑料澆注在引線底板上包括半導體芯片和連接導線的部分，以提供機械的和環(huán)境的保護。
在許多情況下，尤其是在功率器件的情況下，為了能有效地散熱，芯片臺面具有一個較大的平面面積。通常這個大的芯片臺面伸出塑料封殼以外和/或有一個表面暴露出來，從而可以方便地安裝在一個散熱器上。在其它情況下，這個大面積芯片臺面完全為塑料所包封來為其提供完全的電氣絕緣。
與這些及其它帶有相對較大的平面金屬區(qū)域的塑封器件有關(guān)的一個特殊問題是塑料封殼從底板上脫層。在典型情況下，脫層出現(xiàn)在溫度循環(huán)變化(如-65到150℃)之后，并且是由塑料封殼與引線底板之間的差熱膨脹系數(shù)(DTCE)造成的。當采用含有相當大量(如＞50%)的銅的引線底板時這個DTCE值通常都比較大，而當引線底板基本上是純銅的情況尤為嚴重。
過去，一向使用各種機械構(gòu)造(溝槽、劃痕、網(wǎng)線、孔眼等)來將塑料封固在引線底板上并減少脫層的發(fā)生。但是，對于某些類型的器件，這類機械構(gòu)造不足以防止脫層或無法采用這類構(gòu)造，而脫層仍然是個問題。
先有技術(shù)中采用的一個替代方法是使引線底板在安裝電子元件之后和馬上封裝之前通過熱的還原(hotreducing)氣氛，從而去除所有的表面氧化物并使塑料直接附著在潔凈的金屬上。但是，這會增加額外的成本，并且不適用于許多不能承受所需的還原氣氛和/或溫度的元件。
另一個先有技術(shù)的方法是在安裝電子元件之前去除所有的表面氧化物，典型情況下靠酸洗，然后給引線底板涂覆上聚丙烯單體之類的有機材料，以防止在裝配和封裝過程中再次氧化。這樣也可以實現(xiàn)塑料-金屬的直接附著。但是，這種處理會增加額外的成本，并且由于單體只能在一段有限時間內(nèi)防止引線底板氧化，制造過程中使用起來會更加復雜。
因此，本發(fā)明的一個目的就是提高含有相當大量的銅的引線底板與適用于半導體和其它電子元件的塑料封殼之間附著強度。
本發(fā)明的另一個目的是提高附著強度，使之與底板的機械構(gòu)造無關(guān)而且能耐受在引線底板上裝配電子元件時即已形成的原有的氧化物。
在這里，術(shù)語“活性氧化劑”被用來指能夠離解各種氧化物質(zhì)的氣氛或溶液。
上述及其它目的和優(yōu)點是通過一種改進的處理方法實現(xiàn)的，它包括制備具有用于外部連接的第一部分和容納電子元件的第二部分的含銅引線底板，將該引線底板在低于其退火溫度的溫度下暴露于一種活性氧化劑中，然后用塑料將引線底板第二部分至少部分地封起來。
一種使用方便的活性氧化劑是含有10～30%H2O2的水溶液。1～30分鐘的浸沒時間是合適的，而5-15分鐘較為方便。大約100℃以下的溫度是合適的，而室溫則較為方便。氧化劑最好基本上不含氯。含有氧而引線底板在其中又能保持低于其退火溫度的等離子體也是一種適用的活性氧化劑。在暴露于活性氧化劑之前，最好但并非必須給引線底板除油。上述處理方法可獲得實際上比采用帶有原有氧化物而未經(jīng)如此處理的引線底板更高的塑料與引線底板的附著強度和更少的脫層。
參看下面的附圖和說明，可以更好地了解本發(fā)明的方法。


圖1表示一個典型的塑封半導體功率器件的頂視和部分剖開圖。
圖2表示圖1中器件的一個截面圖，表明脫層情況;以及圖3表示圖2中的同一個器件，而根據(jù)此項發(fā)明防止了脫層。
圖1表示帶有塑料殼12和引線14、16、18的半導體功率器件10的頂視部分剖開圖。為了便于理解，在剖示圖1中塑料殼的露出部分畫有斷面線。引線16帶有可將半導體芯片22(如一個晶體管)安裝在上面的芯片臺面20，芯片22上有一個與延伸到引線18連接部28的連接導線26相連的接點24。用于孔30使器件10能安裝到一個適當?shù)纳崞?未予圖示)上。制造器件10的裝置和方法在本領(lǐng)域是公知的。
圖2-3表示圖1中的器件在所標示的位置處的簡化的截面圖。為了便于理解，圖2-3截面中塑料殼的露出部分畫有斷面線，而金屬引線底板、晶體管芯片和脫層鼓泡留作空白。器件10屬于塑料封殼12完全包住管芯片臺面20的類型。塑料封殼12的一部分13位于芯片臺面20之下，因而能提供芯片臺面與器件將安裝在上面的散熱器或其它結(jié)構(gòu)(未予圖示)間的電氣絕緣。
圖2表示在封殼12的一部分13與芯片臺面20的下表面21之間已出現(xiàn)脫層從而在其間形成鼓泡32的情形。鼓泡32有從塑料封殼12放出的氣體，并且如果脫層縫隙擴展到封殼12的外表面還會有外界空氣。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在注塑之前即已暴露于外界空氣的含銅引線底板，尤其是那些含有50%或更多銅的并且尤其是那些基本上是純銅的引線底板，有時會在溫度循環(huán)變化中出現(xiàn)脫層損壞。在典型情況下，溫度循環(huán)變化是用本領(lǐng)域熟知的手段和方法在-65至150℃或低一些的范圍內(nèi)完成的。由于脫層會顯著降低器件的散熱能力并且有可能為會降低器件可靠性的空氣中的污染物提供進入的通道，因而是極不希望出現(xiàn)的。
據(jù)信，這種脫層損壞是與含銅引線底板暴露于室內(nèi)空氣而在其上形成的一層薄的原有的氧化物相關(guān)的。顯然，塑料封殼與這層薄的原有的氧化物之間的附著不如同一封殼與裸露的金屬之間附著那么牢固。這層原有的氧化物據(jù)估計大約為0.001～0.004微米厚。許多金屬包括銅和銅的合金被認為都會在暴露于一般空氣時形成這種原有的氧化物。這種原有的氧化物的成分和厚度可能會隨金屬的成分和空氣中存在的雜質(zhì)而變化，因為銅被認為是對氯之類的物質(zhì)和水汽的存在敏感物質(zhì)。無論怎樣，在典型的潔凈的半導體裝配環(huán)境下進行封裝之前暴露于外界空氣的含銅引線底板尤其是基本上是純銅的引線底板，表現(xiàn)出上面所述的從塑料封殼上脫層的傾向。
脫層傾向發(fā)生于封殼內(nèi)引線底板和/或芯片臺面相對沒有機械封固結(jié)構(gòu)如溝槽、劃痕等鄰近區(qū)域。在某些類型如圖1-3例所示的塑料封殼完全包住整個芯片和散熱臺面的器件中，相對平坦的金屬-塑料界面的面積大于器件中塑料未完全包住的散熱臺面面積。因此，這些器件具有更大的脫層傾向。盡管脫層可以發(fā)生在引線底板和塑料之間的任何部位，但經(jīng)常發(fā)生在芯片臺面20的底面21上，因為此處通常是最大的相對平坦而無機械構(gòu)造的金屬區(qū)域。這種脫層示于圖2中。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果含銅引線底板通過暴露于氧化環(huán)境的方式作了預處理，薄弱的原有氧化物可以增強，從而可以在引線底板和塑料封殼之間實現(xiàn)更強的附著。在氧化氣氛中高溫加熱是不適用的，因為能夠顯著增加氧化物強度所需的溫度也會使引線底板尤其是純銅引線底板退火，以致變軟并且不再適用于所需的用途。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，只要簡單地將引線底板用化學方法進行氧化，即將引線底板暴露于活性(離解)氧化劑中，就可以增強原有的氧化物(如果有的話)并實現(xiàn)良好的引線底板-塑料的附著。實現(xiàn)這種離解和氧化不需要過熱。這種處理可以在芯片和導線連接之前進行，因為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)它不會影響這些操作，即無論所述處理會造成什么表面變化，它都不會對用本領(lǐng)域所熟知的方法焊接半導體芯片或各種導線造成妨礙或更多的困難。這是本發(fā)明的一個特別有用的特點，因為它允許增強塑料對引線底板附著的工序在所有敏感的半導體芯片連接導線安裝之前進行而不會象其它方法那樣影響裝配工序。但是，只要引線底板上的半導體或其它元件不會受到活性氧化劑處理的不良影響，這個步驟可以在封裝之前的任何時候進行。
H2O2被認為是一種適用的化學氧化劑。在室溫下將銅質(zhì)引線底板浸入10-30%的H2O2水溶液幾分鐘，可得到更高的附著強度并減少脫層。其它具有H2O2離解性能的稀釋劑也可以采用。1-30分鐘的浸沒時間是合適的，而以1-20分鐘為方便并以5-15分鐘為最佳。這種處理能得到厚度范圍大約0.005-0.05微米的氧化物。將溶液加熱到接近水的沸點可以加快處理過程，但溶液壽命會相應降低。
如果引線底板曾存放于有可能積有表面碳氫層的環(huán)境中，最好在化學氧化步驟之前有一個初步的除油步驟?？刹捎迷诋惐贾凶鞫虝r間浸泡的方法，而其它已熟知的去油處理也可以采用。
含氧等離子體也有助于提高引線底板與塑料間的附著強度。這種等離子體可以形成一種氣氛，在其中氧化物質(zhì)可被離解并能夠迅速地與引線底板金屬和/或原有氧化物反應。所用等離子體的能量水平最好能使引線底板保持相對較冷即遠低于退火溫度。在這方面，低壓等離子體是特別方便的但并非必須的。
對于準備用于半導體元件的引線底板，最好使用基本上不含氯的等離子體或溶液氧化處理，因為殘留的氯會對器件可靠性造成不利影響。
上面所述的方法在引線底板金屬中銅的含量越高就會越有效，適用于銅含量大約50%或更高，而尤其適用于基本上是純銅的引線底板。
實例用本領(lǐng)域熟知的制作引線底板用的Olin-194型銅材刻蝕出引線底板，作成中心間距0.5英寸(12.7毫米)的正方形的3×9陣列。在常規(guī)(暴露于空氣中)條件并經(jīng)過各種處理如暴露于紫外光產(chǎn)生的臭氧中、施用有機粘結(jié)增強劑和在30%的H2O2中作上述處理之后，對引線底板進行測試。然后用常規(guī)方法也是本領(lǐng)域熟知的Nitto-MP180型封裝塑料的塑料塊澆注在各個正方形引線底板上。用環(huán)氧樹脂膠將拉管裝在各個澆注好的塑料塊上。而后將澆注好的塑料塊從銅材上拉掉并測定所需的力。這被稱作拉開強度。對14次澆注操作得到大約200個樣品作了拉開試驗。在典型情況下，有10個試片的樣品的拉開試驗值的標準差大約為平均值的一半。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)處理(暴露于空氣中)的對照樣品具有范圍在大約1.5-5磅(6.7-22牛頓)的拉開強度值，平均值大約3.25磅(14.4牛頓)，而經(jīng)H2O2處理的樣品的具有范圍在大約7-13磅(31-58牛頓)，平均值大約9.4磅(41(41.8牛頓)的拉開強度。用所有其它處理得到的拉開強度值在與對照樣品大致相同的范圍內(nèi)。因此，暴露于空氣的對照樣品能夠代表制造過程中通常使用的、也是暴露于空氣中的引線底板的狀況。進一步發(fā)現(xiàn)，使用已接受上述H2O2處理的引線底板裝配成的器件在溫度循環(huán)變化之后與使用未接受這種處理的普通引線底板裝配成的器件相比脫層損壞的百分比有了顯著下降。采用上述H2O2處理的結(jié)果如圖3所示，沒有出現(xiàn)脫層并且沒有空腔32形成。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是，經(jīng)底溫氧化的引線底板對于處理與使用之間的耽擱時間的變化不敏感。這就很不同于，比如說，先有技術(shù)中采用經(jīng)有機氧化抑制劑處理的引線底板的方法，因為空氣最終會透過處理層而到達金屬表面，用那種方法處理的引線底板對于生產(chǎn)的延誤是敏感的。
上述過氧化物處理的又一個優(yōu)點當用于通過局部鍍覆之類的方法部分鍍鎳的銅和/或銅合金引線底板時就會表現(xiàn)出來。鎳經(jīng)常用作，比如說，引線底板的導線連接區(qū)域例如圖1中連接導線26的部位28和/或引線14、16、18的外部上的鍍層。鎳質(zhì)表面增強了連接和/或可焊性。已經(jīng)觀察到，除了獲得了塑料對銅或銅合金引線底板的更強的附著之外，過氧化物處理同時還從鎳質(zhì)表面上除去了氧化物和/或其它腐蝕產(chǎn)物。從鎳質(zhì)表面除去氧化物和/或其它腐蝕產(chǎn)物改善了在鎳質(zhì)表面上的連接和熔焊。這種鎳的清潔與增強塑料附著相結(jié)合而對部分鍍鎳的引線底板產(chǎn)生的有益效果是意外的并且是非常有用的。
根據(jù)所述的發(fā)明，對于那些本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說很顯然本發(fā)明的方法可得到更強的引線底板-塑料封殼接合強度，所發(fā)明的方法特別簡單有效并且適用于半導體元件;增強的接合強度不依賴于塑料上的機械固封構(gòu)造并且可在平坦的無特殊構(gòu)造的表面上獲得;所發(fā)明的處理過程允許存有可能會在已于封裝之前暴露于典型的電子裝配環(huán)境中的含銅引線底板上出現(xiàn)的原有氧化物;所發(fā)明的方法不需要用還原氣氛或溶液作預處理或用有機單體保護引線底板等;而且，所發(fā)明的方法不會影響在所發(fā)明的處理之后和封裝之前在引線底板上進行的后續(xù)的芯片連接和/或?qū)Ь€連接操作，并對引線底板處理和引線底板使用之間的耽擱時間的變化不敏感。
權(quán)利要求
1.一種減少塑封電氣元件脫層的方法，其特征在于提供一個帶有用于外部連接的第一部分和承載電氣元件的第二部分的引線底板，其中第二部分的某些部分有裸露的銅和裸露的鎳；將該引線底板在低于其退火溫度的溫度下暴露于一種液體或等離子體氧化劑中，以在一次操作中間同時氧化裸露的銅并清潔裸露的鎳；以及然后將引線底板第二部分的那些部分封裝在塑料封殼內(nèi)。
2.權(quán)利要求1中的方法，其中的提供步驟包括提供一個第二部分，其中第二部分的某些部分有裸露而光潔的銅和裸露的鎳，暴露步驟包括將引線底板暴露于10-30%的H2O2溶液中1-30分鐘。
3.權(quán)利要求1中的方法，其中的暴露步驟是在大約100℃以下的溫度下進行的。
4.權(quán)利要求1中的方法，其中的氧化劑基本上是不含氯的。
5.權(quán)利要求1中的方法，其中的暴露步驟包括將引線底板暴露于含氧等離子體中。
6.一種處理電子器件用引線底板以增強塑料封殼在其上附著的方法，其特征在于提供上面有裸露而光潔的銅的引線底板，其中引線底板上面有原有的氧化物;并且通過將引線底板在大約100℃以下的溫度下暴露于含有10-30%的H2O2而基本上不含氯的溶液中1-20分鐘，對裸露的銅作進一步氧化。
7.權(quán)利要求6中的方法，其中的溫度大致為室溫。
8.一種封裝引線底板上電子元件的方法，其特征在于提供帶有已暴露于空氣的基本上是裸露的銅和基本上是裸露的鎳的引線底板;同時，通過在大約100℃以下的溫度下將引線底板浸沒于一種在其中氧化鎳可溶解的鎳和銅的氧化劑中進一步氧化銅和清潔鎳;將一條連接引線連接在引線底板上的鎳上，以及在引線底板的一部分上澆注塑料封殼。
9.權(quán)利要求8中的方法，其中同時進一步氧化銅和清潔鎳的步驟包括將引線底板暴露于一種基本上不含氯的銅的氧化劑和鎳的清潔材料。
10.權(quán)利要求9中的方法，其中同時進一步氧化銅的清潔鎳的步驟包括將引線底板暴露于10-30%的H2O2溶液中。
全文摘要
通過將引線底板在低于其退火溫度的溫度下(如室溫到100℃)暴露于活性氧環(huán)境(如10-30％的H
文檔編號H01L21/56GK1047939SQ9010128
公開日1990年12月19日 申請日期1990年3月10日 優(yōu)先權(quán)日1989年3月14日
發(fā)明者基思·戈登·斯帕尼爾, 德維恩·利奧·弗勞爾斯 申請人:莫托羅拉公司