增強塑料封殼對含銅引線底板的附著力的方法

2023-04-27 15:14:31

專利名稱：增強塑料封殼對含銅引線底板的附著力的方法
技術領域：
本發明涉及安裝在含銅引線底板上的塑封電氣器件的製造方法，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生從底板上脫層的方法。
在電氣工業，尤其是在電子工業中，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製成的器件提供環境保護。
功率電晶體或可控矽是採用含銅引線底板的塑封器件的典型例子子。一個帶有所需的電晶體或可控矽半導體晶片，安裝在引線底板的晶片臺面部分，而各種連接導線跨接在晶片接點與引線底板接點之間間。然後將塑料澆注在引線底板上包括半導體晶片和連接導線的部分，以提供機械的和環境的保護。
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，晶片臺面具有一個較大的平面面積。通常這個大的晶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，這個大面積晶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域的塑封器件有關的一個特殊問題是塑料封殼從底板上脫層。在典型情況下，脫層出現在溫度循環變化(如-65到150℃)之後，並且是由塑料封殼與引線底板之間的差熱膨脹係數(DTCE)造成的。當採用含有相當大量(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造(溝槽、劃痕、網線、孔眼等)來將塑料封固在引線底板上並減少脫層的發生。但是，對於某些類型的器件，這類機械構造不足以防止脫層或無法採用這類構造，而脫層仍然是個問題。
先有技術中採用的一個替代方法是使引線底板在安裝電子元件之後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並使塑料直接附著在潔淨的金屬上。但是，這會增加額外的成本，並且不適用於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，然後給引線底板塗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。這樣也可以實現塑料-金屬的直接附著。但是，這種處理會增加額外的成本，並且由於單體只能在一段有限時間內防止引線底板氧化，製造過程中使用起來會更加複雜。
因此，本發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於半導體和其它電子元件的塑料封殼之間附著強度。
本發明的另一個目的是提高附著強度，使之與底板的機械構造無關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。
在這裡，術語「活性氧化劑」被用來指能夠離解各種氧化物質的氣氛或溶液。
上述及其它目的和優點是通過一種改進的處理方法實現的，它包括製備具有用於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，將該引線底板在低於其退火溫度的溫度下暴露於一種活性氧化劑中，然後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於其退火溫度的等離子體也是一種適用的活性氧化劑。在暴露於活性氧化劑之前，最好但並非必須給引線底板除油。上述處理方法可獲得實際上比採用帶有原有氧化物而未經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，而根據此項發明防止了脫層。
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。為了便於理解，在剖示圖1中塑料殼的露出部分畫有斷面線。引線16帶有可將半導體晶片22(如一個電晶體)安裝在上面的晶片臺面20，晶片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。用於孔30使器件10能安裝到一個適當的散熱器(未予圖示)上。製造器件10的裝置和方法在本領域是公知的。
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。為了便於理解，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、電晶體晶片和脫層鼓泡留作空白。器件10屬於塑料封殼12完全包住管晶片臺面20的類型。塑料封殼12的一部分13位於晶片臺面20之下，因而能提供晶片臺面與器件將安裝在上面的散熱器或其它結構(未予圖示)間的電氣絕緣。
圖2表示在封殼12的一部分13與晶片臺面20的下表面21之間已出現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，並且如果脫層縫隙擴展到封殼12的外表面還會有外界空氣。
已經發現，在注塑之前即已暴露於外界空氣的含銅引線底板，尤其是那些含有50%或更多銅的並且尤其是那些基本上是純銅的引線底板，有時會在溫度循環變化中出現脫層損壞。在典型情況下，溫度循環變化是用本領域熟知的手段和方法在-65至150℃或低一些的範圍內完成的。由於脫層會顯著降低器件的散熱能力並且有可能為會降低器件可靠性的空氣中的汙染物提供進入的通道，因而是極不希望出現的。
據信，這種脫層損壞是與含銅引線底板暴露於室內空氣而在其上形成的一層薄的原有的氧化物相關的。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麼牢固。這層原有的氧化物據估計大約為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於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而變化，因為銅被認為是對氯之類的物質和水汽的存在敏感物質。無論怎樣，在典型的潔淨的半導體裝配環境下進行封裝之前暴露於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，表現出上面所述的從塑料封殼上脫層的傾向。
脫層傾向發生於封殼內引線底板和/或晶片臺面相對沒有機械封固結構如溝槽、劃痕等鄰近區域。在某些類型如圖1-3例所示的塑料封殼完全包住整個晶片和散熱臺面的器件中，相對平坦的金屬-塑料界面的面積大於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。儘管脫層可以發生在引線底板和塑料之間的任何部位，但經常發生在晶片臺面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造的金屬區域。這種脫層示於圖2中。
已經發現，如果含銅引線底板通過暴露於氧化環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，以致變軟並且不再適用於所需的用途。
已經發現，只要簡單地將引線底板用化學方法進行氧化，即將引線底板暴露於活性(離解)氧化劑中，就可以增強原有的氧化物(如果有的話)並實現良好的引線底板-塑料的附著。實現這種離解和氧化不需要過熱。這種處理可以在晶片和導線連接之前進行，因為已經發現它不會影響這些操作，即無論所述處理會造成什麼表面變化，它都不會對用本領域所熟知的方法焊接半導體晶片或各種導線造成妨礙或更多的困難。這是本發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晶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並減少脫層。其它具有H2O2離解性能的稀釋劑也可以採用。1-30分鐘的浸沒時間是合適的，而以1-20分鐘為方便並以5-15分鐘為最佳。這種處理能得到厚度範圍大約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於有可能積有表面碳氫層的環境中，最好在化學氧化步驟之前有一個初步的除油步驟。可採用在異丙醇中作短時間浸泡的方法，而其它已熟知的去油處理也可以採用。
含氧等離子體也有助於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，在其中氧化物質可被離解並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於退火溫度。在這方面，低壓等離子體是特別方便的但並非必須的。
對於準備用於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，適用於銅含量大約50%或更高，而尤其適用於基本上是純銅的引線底板。
實例用本領域熟知的製作引線底板用的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(暴露於空氣中)條件並經過各種處理如暴露於紫外光產生的臭氧中、施用有機粘結增強劑和在30%的H2O2中作上述處理之後，對引線底板進行測試。然後用常規方法也是本領域熟知的Nitto-MP180型封裝塑料的塑料塊澆注在各個正方形引線底板上。用環氧樹脂膠將拉管裝在各個澆注好的塑料塊上。而後將澆注好的塑料塊從銅材上拉掉並測定所需的力。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。
已經發現，未經處理(暴露於空氣中)的對照樣品具有範圍在大約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H2O2處理的樣品的具有範圍在大約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範圍內。因此，暴露於空氣的對照樣品能夠代表製造過程中通常使用的、也是暴露於空氣中的引線底板的狀況。進一步發現，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變化之後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。採用上述H2O2處理的結果如圖3所示，沒有出現脫層並且沒有空腔32形成。
本發明的另一個優點是，經底溫氧化的引線底板對於處理與使用之間的耽擱時間的變化不敏感。這就很不同於，比如說，先有技術中採用經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於生產的延誤是敏感的。
上述過氧化物處理的又一個優點當用於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出來。鎳經常用作，比如說，引線底板的導線連接區域例如圖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。鎳質表面增強了連接和/或可焊性。已經觀察到，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表面上除去了氧化物和/或其它腐蝕產物。從鎳質表面除去氧化物和/或其它腐蝕產物改善了在鎳質表面上的連接和熔焊。這種鎳的清潔與增強塑料附著相結合而對部分鍍鎳的引線底板產生的有益效果是意外的並且是非常有用的。
根據所述的發明，對於那些本領域的技術人員來說很顯然本發明的方法可得到更強的引線底板-塑料封殼接合強度，所發明的方法特別簡單有效並且適用於半導體元件;增強的接合強度不依賴於塑料上的機械固封構造並且可在平坦的無特殊構造的表面上獲得;所發明的處理過程允許存有可能會在已於封裝之前暴露於典型的電子裝配環境中的含銅引線底板上出現的原有氧化物;所發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，所發明的方法不會影響在所發明的處理之後和封裝之前在引線底板上進行的後續的晶片連接和/或導線連接操作，並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。
權利要求
1.一種減少塑封電氣元件脫層的方法，其特徵在於提供一個帶有用於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；將該引線底板在低於其退火溫度的溫度下暴露於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並清潔裸露的鎳；以及然後將引線底板第二部分的那些部分封裝在塑料封殼內。
2.權利要求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於10-30%的H2O2溶液中1-30分鐘。
3.權利要求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.權利要求1中的方法，其中的氧化劑基本上是不含氯的。
5.權利要求1中的方法，其中的暴露步驟包括將引線底板暴露於含氧等離子體中。
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，其特徵在於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;並且通過將引線底板在大約100℃以下的溫度下暴露於含有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，其特徵在於提供帶有已暴露於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於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於一種基本上不含氯的銅的氧化劑和鎳的清潔材料。
10.權利要求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於10-30%的H2O2溶液中。
全文摘要
通過將引線底板在低於其退火溫度的溫度下(如室溫到100℃)暴露於活性氧環境(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 優先權日1989年3月14日
發明者基思·戈登·斯帕尼爾, 德維恩·利奧·弗勞爾斯 申請人:莫託羅拉公司