KR0145128B1 - 열방열 핀을 구비한 내부 리드 본딩 장치 및 이를 이용한 내부 리드 본딩 방법 - Google Patents

열방열 핀을 구비한 내부 리드 본딩 장치 및 이를 이용한 내부 리드 본딩 방법

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Abstract

본 발명은 TAB 의 내부 리드와 범프를 본딩하는 소위, TAB-ILB(Inner Lead Bonding) 공정에서 가해지는 높은 열에 의해서 내부 리드와 폴리머 테이프를 접찾하는 접착제가 녹아서 흘러내리는 디그레이데이션(Degradation) 현상을 방지하며, ILB 공정이 끝난 다음에 범프와 내부 리드간의 열팽창 계수의 차이 때문에 생기는 전기적 불량을 방지하기 위한 것이다. ILB 공정에서 사용되는 본 발명에 따른 내부 리드 본딩 장비는 본딩될 내부 리드와 범프에 전달되는 높은 열이 내부 리드와 폴리머 테이프를 부착하는 접착제에 전달되는 것을 방지하기 위해서 열전달 경로 중간에 열전도성이 우수한 구리나 구리 합금 또는 합금 42로 이루어지는 열방열 핀을 부착하여 접착제로 전달되는 열을 빼앗고 대류에 의해 전달되는 열도 차단하는 두가지 기능을 한다. 이러한 열방열 핀을 사용하여 내부 리드 본딩을 한 경우 종래에 비해 접착제 주위의 온도는 약 30% 가량 떨어졌다.

Description

열방열 핀을 구비한 내부 리드 본딩 장치 및 이를 이용한 내부 리드 본딩 방법

제 1 도는 종래 기술의 TAB-ILB 공정을 설명하는 도면.

제 2a 도는 본 발명에 따른 TAB-ILB 공정을 설명하는 도면.

제 2b 도는 본 발명에 따른 열방열 핀이 지지대에 부착된 구조의 평면도.

제 2c 도는 본 발명에 따른 열방열 핀이 지지대에 부착된 구조의 정면도.

제 3 도는 본 발명의 구조를 갖는 본딩 장비를 사용한 TAB-ILB 공정시 열방출 및 열분산을 해석한 시뮬레이션 결과도.

제 4 도는 종래 기술의 구조를 갖는 본딩 장비를 사용한 TAB-ILB 공정시 열방출 및 열분산을 해석한 시뮬레이션 결과도.

제 5 도는 TAB-ILB 공정시 열방출 및 열분산을 해석한 시뮬레이션에서 범프 주위의 온도 분포를 분명하게 나타내기 위한 부분 상세도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 내부 리드 10 : 조임 장치

2 : 접착제 11 : 홈

3 : 폴리이미드 L : 열방열 핀

4 : 지지대 7 : 칩 패드

5 : 본딩 장비 8 : 반도체 칩

6: 범프(bump)

본 발명은 반도체 패키지에 관한 것으로서 보다 구체적으로는 TAB(Tape Automated Bonding)의 내부 리드 본딩(ILB ; Inner Lead Bonding) 공정시 가해지는 높은 열이 TAB 테이프에 전달되는 것을 방지하기 위해 열 방출 수단을 구비하는 내부 리드 본딩 장비 및 이러한 본딩 장비를 사용한 내부 리드 본딩 방법에 관한 것이다.

1960년대 GE사에 의해 최초로 그 개념이 도입된 TAB 패키지 기술은 와이어 본딩 기술의 대체 기술로서, 많은 양의 디바이스를 대량으로 패키지할 수 있는 자동화 기법이다. 그후, TAB 기술이 점차 발달하면서 TAB 패키지의 신뢰성이 증가함에 따라, TAB 패키지는 동작속도가 매우 빠른 집적회로 ( VHSIC ; Very High Speed IC)나 액정 표시 장치(LCD), 슈퍼 컴퓨터 등과 같이 우수한 전기적 성능을 요구하는 분야로 그 응용분야가 확대되고 있다.

TAB는 금속 패턴이 형성된 폴리머 테이프, 예컨대 구리로 패턴 형성한 폴리이미드에 실리콘 칩을 열 압착( Thermo-compression) 본딩을 사용해서 본딩하는 공정으로 시작되낟. TAB에 사용되는 테이프는 일반적으로 폴리이미드, 에폭시, 아크릴 및 페놀부틸 등을 접착제로 이용한다. TAB 패키지는 보통 내부 리드 본딩(이하 ILB라 함), 봉지-경화 처리, 번-인 테스트 및 외부 리드 본딩 동안에 고온 공정을 거치기 때문에 접착제의 선택은 열적 안정성에 우선적인 고려를 하여야 한다. 특히, 패턴 형성된 내부 리드를 반도체 칩의 본딩 패드위에 형성된 범프와 본딩하는 ILB 공정에서는 내부 리드와 범프 사이의 접합이 높은 인장 강도를 가지게 하기 위해서 530-550 ℃ 정도로 높은 온도의 본딩 장비를 사용하여 TAB의 내부 리드와 칩의 접합이 이루어진다. ILB 공정은 싱글-포인터 본딩( Single point bonding) 방법이나 갱 본딩( gang bonding) 방법에 의해 수행된다. 이 방법 중에서 갱 본딩은 열 압착 본딩, 다이나믹 합금 형성, 솔더 리플로 등에 의해 TAB리드들을 동시에 본딩할 수 있으므로, 짧은 공정 시간에 대량으로 TAB 패키지를 생산하기 위해서는 갱 본딩 방법이 주로 사용되는데, 이 갱 본딩 방법은 예컨대, 미국특허 USP 3,763,404와 USP 4,051,508에 공지되어 있다.

제 1 도는 종래 TAB 에서 이루어지는 내부 리드 본딩 공정을 나타내는 도면이다. 포토리소그래피(photolithograhy) 기술에 의해 소정의 패턴으로 형성되어 있는 내부 리드 (1)는 접착제 (2)에 의해 폴리이미드 (3)와 접착되어 3층 구조의 테이프를 이룬다. 반도체 칩 (8) 상에 형성되어 있는 칩 본딩 패즈 (7)에는 내부 리드 (1)와 전기적인 연결을 이루기 위한 범프 (6)가 형성되어 있다. 내부 리드 공정시에 써모드 (thermode)등의 본딩 장비 (5)를 기준으로 하여 반도체 칩 (8)들은 xy-좌표 테이블 (도시 아니함)에 의해 미리 정렬되어져 있다. 지지대 (4)는 리드 프레임을 지지하며, ILB 공정동안 가장 안정적으로 TAB를 지지할 수 있도록 미리 그 위치가 정해져 있다. ILB 공정 동안에, 칩 운반기구는 본딩할 높이로 올라가고 본딩 장비 (5)는 테이프상의 내부 리드 (1)를 통해 칩 (8) 상에 형성되어 있는 범프 (6)로 열과 압력을 공급함으로써 열압착에 의한 내부 리드 본딩 공정이 이루어진다. 이때, 본딩 장비 (5)에 의해 리드 프레임을 통해 전달된 열이 리드 프레임에 붙어 있는 접착제 (2)에 영향을 미쳐서 열적으로 취약한 접착제가 녹아서 흘러 내리는 소위 디그레이데이션 (degradation) 현상이 발생한다. 또한 고온 접합시에 높은 온도에 의해 TAB 테이프의 열팽창이 이루어졌다가, 식을 때 내부 리드 (1)와 범프 (6)와의 열팽창 계수 차이 때문에 그 부위에서 스트레스가 강하게 발생하여 리드와 범프 접착 계면이 분리되는 현상이 생격서 전기적 고장을 가져올 수도 있다.

ILB 공정시 온도와 지속 시간(dwell time : 본딩 장비가 범프 상단 리드 부위를 가압하는 시간)이 본딩 강도에 미치는 영향은 매우 크다. 온도와 지속 시간이 증가할 수록 범프에 의해 리드와 칩 패드가 강하게 접착됨에도 불구하고 위에서 설명한 바와 같이 스트레스의영향 및 열에 의한 요인으로 계면이 분리되는 문제 및 접착제가 녹아 버리는 문제가 생기게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 이러한 열적 요인에 의한 문제를 극복할 수 있는 구조를 가지는 ILB 본딩 장비 및 ILB 본딩 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 본딩 장비의 온도와 지속 시간의 많은 제약을 없애고 접착제 부위에서 발생하는 디그레이데이션 현상을 없앰과 동이세 높은 본더빌러티(bondability)를 얻고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 내부 리드 본딩 장비는 폴리머(polymer) 테이프 위에 포토리소그래피 공정에 의해 소정 형태의 금속 패턴으로 형성되어 있는 내부 리드와 반도체 칩의 본딩 패드에 형성되어 있는 범프를 본딩하는데, 상기 범프와 본딩될 내부 리드 부분 및 상기 범프에 열과 압력을 공급하는 열압착 수단과 상기 내부 리드를 지지하는 지지대를 구비하며, 상기 지지대와 접촉함과 동시에 실제로 열과 압력이 직접 공급되는 내부 리드의 부분 가까이에서 내부 리드의 표면과 접촉하는 열방출 핀을 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 내부 리드 본딩 장비는 열방출 핀의 지지대와 접촉하는 위치에 조임 수단과 이 조임 수단이 체결되는 홈이 형성되어 있는데, 이 홈은 한쪽 방향의 길이가 더 긴 홈 형태로 형성되어서 여러 TAB 패키지에 대해 위치 조절이 가능한 것을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조로 본 발명의 실시예를 설명한다.

제 2 도는 본 발명에 따른 TAB-ILB 공정을 보여주는 도면으로서, 제 1 도와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하였다. 제 2a 도에서 볼 수 있는 바와 같이 지지대 (4) 윗면과 내부 리드 (1) 사이에 열전도성이 우수한 재질을 열방열핀 (L)으로 하여 부착하였다. 이러한 열방열 핀 (L)의 재질로는 여컨대, 구리나 구리 합금 계열 또는 합금 42(Alloy 42 ; 니켈 42%, 철 58%)을 사용할 수도 있고, 구리나 합금 42 금속을 화학적 기상 증착 (CVD ; Chemical Vapor Deposition ) 방법으로 다이아몬디 코팅한 것을 사용하여도 된다. 또한 합금 42의 기계적 성질을 유지하면서, 열전도성을 높이기 위해서 합금 42에 구리 박편을 높은 압력으로 클래딩 처리한 것을 열방열 핀의 재료로 사용할 수도 있다. 이러한 구조를 갖는 본딩 장비 (5)에서 얻을 수 있는 효과는 본딩 장비의 열을 직접 받는 부분 (B)에서 지지대 (4)와 가까운 부분 (C) 중간 근처 (A)에서 리드 (1)와 접촉하는 열방열핀 (L)을 통해서 본딩 장비 (5)의 열이 상당부분 빠져 나가기 때문에 내부 리드 (1)를 통해 전달되는 열은 C부분으로는 거의 전달되지 못한다는 것이다. 또한 본딩 장비 (5)의 높은 온도가 대류를 통해 리드에 직접 전달되는 것을 열방열 핀 (L)이 막고 있으므로 두가지 측면의 열 차단 효과를 동시에 볼 수 있다. 결론적으로 A 부분에서 접착제 (2)가 내부 리드 (1)에서 떨어지는 디그레이데이션 현상을 방지할 수 있으며, 리드의 온도 자체를 낮출 수 있으므로 내부 리드 (1)와 범프 (6) 사이의 열팽창 계수의 차이에 의해 발생되는 전기적 불량의 유발을 방지할 수 있다.

제 2b 도는 본 발명에 따른 열방열핀이 지지대에 부착된 구조를 보여주는 평면도이다. 타원 모양의 홈 (11)이 형성되어 있는 열방열 핀 (L)은 조임 장치 (10)에 의해 지지대 (4)와 기계적으로 연결되어 있다. 여기서 홈 (11)이 타원 모양을 가지고 있는 것은 서로 크기가 다른 TAB에도 본 발명에 따른 열방열 핀 (L)을 부가적인 처리를 거치지 않고 적용할 수 있도록 위치 조정이 가능하게 한 것이다.

제 2c 도는 본 발명에 따른 열방열 핀이 지지대에 부착된 구조를 보여주는 정면도 이다. 조임 장치 (10)는 예컨대, 볼트의 형태를 가지고 있으며 열방열 핀 (L)과 지지대 (4)를 기계적으로 고정시키는 역할을 한다.

본 발명의 열방출 효과를 검증하기 위해 FVM (Finite Volume Method)을 이용하여 열해석 시뮬레이션을 실시하였다. FVM은 열 방정식의 미분방정식 4을 차분값으로 치환하여 근사해를 구하는 유한차분법 (FDM : Finite Difference Method)에서 발전한 개념으로서 전도와 대류, 복사 등에 의한 열이 결합되어 있을 경우에 적합한 열 해석 방법이다. 제 4도는 종래 구조를 열해석 하였을 때의 결과로서 본딩 장비의열이 리드와 접착제에 전달됨을 확인할 수 있다. 제 3 도는 본 발명에 의한 구조를 열해석하였을 경우를 나타내는 것으로서 본디 장비의 열이 열방열 핀의 열방출 효과로 인해 접착제로 가는 열이 많이 차단되고 있고, 또한 대류를 통해서 리드로 전달되는 열도 차단되고 있음을 확인할 수 있다. 제 5 도는 앞에서 설명한 열해석 시뮬레이션에서 TAB 데이프 상의 온도 분포를 나타내는 도면으로서, 리드 프레임과 칩의 범프가 접합되는 부분 및 접착제 부분의 온도 분포를 보다 분명하게 나타내기 위한 일례이다. 시뮬레이션의 결과로서는 종래 기술에 비해 본 발명을 적용한 경우, 접착제 부위의 온도가 약 30%정도 감소하였다.

결론적으로 본딩 장비에 본 발명에 따른 열방열 핀을 적용하면, 접착제 부위의 디그레이데이션 현상을 없앨 수 있으며 TAB 추세에 따라 리드의 수가 점차 증가됨에 따라서 본디 신뢰성을 높이기 위해서는 높은 온도와 긴 지속 시간이 필요하므로, 본 발명을 적용함으로써 큰 효과를 거둘 수 있다. 또한 기존의 경우에 비해 고온의 본딩 장비에서 칩으로 전달되는 열방출량이 줄어들어 (본딩 장비로부터 칩으로의 온도 기울기가 줄어들어) TAB-ILB 공정시 생길 수 있는 칩 크래더링 현상도 감소하게 된다. 즉 온도 기울기가 클수록 범프 아래의 구조에서 스트레스가 크게 걸려, 본딩 장비의 누르는 힘에 의해 칩이 쉽게 깨지는 현상을 방지할 수 있다.

이상 도면을 참조로 본 발명의 구체적인 실시예를 설명하였지만 이는 예시적인 것에 지나지 않으며 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어서 본 발명은 범프가 반도체 칩의 본딩 패드 상에 형성되어 있는 경우에 대하여 설명하였지만, 범프가 내부 리드에 형성되어 있는 소위 범프 리드 ( bump lead) 구조를 갖는 TAB 에도 적용가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 폴리머 테이프 위에 소정 형태의 금속 패턴으로 형성되어 있는 내부 리드와 외부 리드를 구비하는 리드 프레임의 상기 내부 리드를 반도체 칩의 본딩 패드에 형성되어 있는 범프와 본딩하는 내부 리드 본딩 장치로서, 상기 범프와 본딩될 내부 리드 부분 및 상기 범프에 열과 압력을 공급하는 열압착 수단과 상기 내부 리드를 지지하는 지지대를 구비하는 내부 리드 본딩 장비에 있어서, 상기 본딩 장비는 상기 지지대와 접촉함과 동시에 상기 내부 리드의 부분 가까이에서 상기 내부 리드의 표면과 접촉하는 열방출 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 내부 리드 본딩 장치.
  2. 제 1 항에서 있어서, 상기 열방출 수단은 상기 지지대와 열 방출 수단을 고정시키기 위한 조임 수단과, 상기 조임 수단이 삽입되는 한쪽 방향의 길이가 더 긴 홈을 구비하고 있어서 상기 열방출 수단의 위치 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 내부 리드 본딩 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 열압착 수단에 의해 공급되는 열은 530-550℃의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 내부 리드 본딩 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 열압착 수단은 니켈을 42% 철을 58% 함유한 합금 42, 구리 및 구리 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 내부 리드 본딩 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 구리와 합금 42는 화학적 기상 증착법에 의해 다이아몬드가 코팅된 것을 특징으로 하는 내부 리드 본딩 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 합금 42는 구리박편이 높은 압력에 의해 클래딩 처리된 것을 특징으로 하는 내부 리드 본딩 장치.
  7. 폴리머 테이프 위에 소정 형태의 금속 패턴으로 형성되어 있는 내부 리드와 외부 리드를 구비하는 리드 프레임의 상기 내부 리드를 반도체 칩의 본딩 패드에 형성되어 있는 범프와 본딩하는 내부 리드 본딩 방법에 있어서, 제 1 항 또는 제 2 항에서 청구한 내부 리드 본딩 장치를 사용해서 열과 압력을 상기 내부 리드와 상기 범프에 공급하는 단계와, 상기 내부 리드와 상기 범프가 상기 공급된 열과 압력에 의해 접합되는 단게로 이루어진 것을 특징으로 하는 내부 리드 본딩 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 열은 530 - 550℃ 의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 내부 리드 본딩 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 열압착 수단은 니켈을 42%, 철을 58% 함유한 합금 42, 구리 및 구리 합금으로 이루어진 그룹에서 선택된 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 내부 리드 본딩 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 구리와 합금 42는 화학적 기상 증착법에 의해 다이아몬드가 코팅된 것을 특징으로 하는 내부 리드 본딩 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 합금 42는 구리박편이 높은 압력에 의해 클래딩 처리된 것을 특징으로 하는 내부 리드 본딩 방법.
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