KR0145838B1 - 반도체용 리드프레임 및 그 표면처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 다이가 부착되는 다이패드와, 본딩 와이어가 본딩되는 내부리드와, 내부리드로부터 연장되어 몰딩 수지 봉지체의 밖으로 노출된 외부리드를 가지는 반도체용 리드 프레임에 있어서, 상기 리드 프레임은 전면에 표면 부식 억제용 표면처리제로 피복된 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 방법은 반도체용 구리계 리드프레임을 벤조트리아졸 수요액속에 소정 시간 디핑하는단계; 및 수용액 속에서 반도체용 리드 프레임을 꺼내서 상온에서 건조하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명은 구리계 리드 프레임의 표면 산화 및 부식을 방지할 수 있어서, 습기나 오염의 침투에 의한 반도체 패키지의 신뢰성 저하를 억제할 수 있다.

Description

반도체용 리드프레임 및 그 표면처리방법

제 1 도는 벤조트리아졸의 분자구조도.

제 2 도는 구리계 리드 프레임의 표면에 화학적으로 결합된 벤조트리아졸의 모형도.

제 3 도는 본 발명에 의한 구리계 리드 프레임의 원자재의 표면변색 및 산화정도를 비교하기 위한 사진들.

제 4 도는 본 발명에 의한 구리계 리드 프레임의 조립공정 후의 표면 상태를 비교하기 위한 사진들.

제 5 도는 본 발명에 의한 구리계 리드 프레임의 다이 부착 강도를 나타낸 그래프 선도.

제 6 도는 본 발명에 의한 구리계 리드 프레임의 금와이어를 웨지 본딩한 경우의 와이어 본딩 강도를 나타낸 그래프 선도.

제 7 도는 본 발명에 의한 구리계 리드 프레임의 웨지본딩상태를 비교하기 위한 사진들.

본 발명은 반도체장치용 리드프레임 및 그 표면처리방법에 관한 것으로서,특히 구리계 금속으로 된 리드 프레임을 사용하는 반도체 장치의 고신뢰성이 유지하기 위한 것에 관한 것이다.

반도체 조립공정 즉, 패키지 공정은 금속 리드프레임의 다이패드 상에 반도체 칩, 즉 다이를 부착시키고 다이의 본딩패드와 리드 프레임의 내부 리드사이를 본딩 와이어로 본딩하여 전기적으로 접속시키는 등의 조립을 수행한 후에 에폭시 수지 등으로 다이와 리드 프레임의 내부 리드를 몰딩하여서 된 것이다. 따라서, 다이에 집적된 회로의 동작에 의해 발생되는 열은 다이패드 및 리드를 통해서 열전도되고 몰딩수지를 통해서 열확산되어 방열되게 된다. 그러므로, 리드 프레임의 열전도도는 반도체 장치의 열방출 메카니즘에 매우 중요한 역할을 하게 된다. 조립공정 중의 다이 부착 및 와이어 본딩공정시에 200도 정도의 열처리가 수반되는 바, 이 열에 의해 리드 프레임의 표면이 산화되거나 부식되는 문제가 있다.

반도체 패키지의 리드 프레임의 재질로는 전기 전도도 및 연전도도가 우수한 구리를 사용하는 것이 기본적인 생각이나 구리는 패키지 조립공정시에 표면에 산화막이 형성되고 이 산화막은 구리와 접착성이 좋지 못하여 벗겨지는 성질을 가지고 있고 이로 인하여 산화막이 벗겨지는 부분을 통하여 패키지 내부로 습기나 오염물이 침투하는 것에 의해 반도체 패키지의 신뢰성에 악영향을 미치는 문제점이 지적되고 있다. 따라서, 통상적으로 바이폴라계 반도체 장치에 비해 동작속도가 떨어지는 모스계 반도체 장치에서는 플라스틱 패키지와 함께 기계적 강도가 우수하고 실리콘 다이와 열팽창계수가 비교적 잘 부합되는 니켈-철 합금이 주로 반도체 리드 프레임의 재질로 사용되어 왔다.

그러나, 최근에는 모스계 반도체 장치의 고집적화와 고속동작으로 인하여 열적문제가 심각하게 고려되고 있고 이에 열확산문제를 해결하기 위하여 열전도도가 좋은 구리를 리드 프레임의 재질로 사용하고자 하는 움직임이 활발히 전개되고 있다. 구리를 사용하기 위해서는 구리 표면의 산화막의 형성을 억제 또는 방지하는 기술들이 요구된다.

통상적으로, 구리로 된 리드 프레임 상에 주석-니켈 합금 또는 니켈-철 합금을 도금법으로 피복시키는 기술을 사용하고 있다. 예를 들면, 일본 특허공개소 54-81777호, 54-129976호 및 한국특허공보 93-10073호 등에 개시되어 있다.

또한, 미국특허 4,821,148에서는 상기 도금법의 문제점을 지적하고 이 도금법의 문제를 해결하기 위하여 리드 프레임(재질에 대한 언급없음)상에 반도체 칩을 부착시킨 후에 반도체 칩의 알루미늄 본딩패드와, 리드프레임의 은도금된 내부리드를 구리 와이어로 본딩하고, 이렇게 조립된 결과물을 40도의 벤조트리아졸 알코올 용액에 3분간 침수하여서 알루미늄 및 구리의 금속표면에 금속-벤조트리아졸 부식방지막을 피복한다는 것으로서, 구리-벤조트리아졸 부식방지막의 표면이 거칠어서 몰드 수지체와 접착력이 향상되므로 습기의 침투에 매우 강하고 설사 침투되었다 하더라도 본딩 와이어나 반도체 칩의 알루미늄 본딩패드가 부식방지막으로 피복되어 있으므로 부식에 매우 강하다는 기술을 개시하고 있다.

그러나, 미국특허에서는 다이부착 및 와이어 본딩공정 이후에 금속들의 표면을 벤조트리아졸 알코올 용액으로 표면처리하기 때문에 조립공정 중에 고열처리에 의해 금속들의 표면에 산화막이 형성되거나 부식된 상태에서 표면처리를 수행하게 된다. 이러한 공정처리의 순서에 의해서 표면 산화막을 완전히 제거하고 금속-유기 부식방지막을 코팅시키기 위해서는 표면처리공정의 시간이 3분정도 길어지게 되는 문제가 있었다. 또한, 산화막이 균일하게 형성되는 것이 아니므로 산화막이 존재한 부분과 산화막이 없는 부분간의 코팅막의 두께가 균일하게 형성되지 못하며 침수시간의 적정시간을 맞춘다는 것이 매우 곤란하게 되어 공정의 작업성이 떨어지는 폐단이 있었다.

본 발명의 목적은 이와같은 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여 수지 패키지형 반도체 장치의 고신뢰성을 유지할 수 있는 리드프레임을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 반도체 장치의 공정시간을 단축시킬 수 있고 작업성을 향상시킬 수 있는 리드 프레임의 표면처리방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 리드프레임은 반도체 다이가 부착되는 다이패드와, 본딩 와이어가 본딩되는 내부리드와, 내부리드로부터 연장되어 몰딩 수지 봉지체의 밖으로 노출된 외부리드를 가지는 반도체용 리드 프레임에 있어서, 상기 리드 프레임은 전면에 금속-유기 부식방지막을 피복하여서 된 것을 특징으로 한다. 상기 금속-유기 부식방지막은 구리-벤조트리아졸인 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은 반도체용 구리계 리드프레임을 벤조트리아졸 수용액속에 소정 시간 디핑하는 단계; 및 상기 수용액 속에서 반도체용 리드 프레임을 꺼내서 상온 및 건조기에서 건조하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다. 상기 디핑하는 시간은 30-60초 정도이다. 상온 건조 전에 에어블루 건조공정을 수행한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

제 1 도에 도시한 화학구조식으로 표현되는 벤조트리아졸은 구리나 구리 합금 등의 부식 및 오염에 대한 억제 또는 방지제로 잘 알려져 왔으며, 이는 기상 전이(vapor transport), 전기화학적 방식, 혹은 벤조트리아졸 수용액에 구리계 금속을 침수함으로써 구리표면에 금속-유기 코팅막을 형성할 수 있다. 이러한, 금속-유기 코팅막은 처리조건에 따라 다양한 두께의 수분 불용해 합성물 표면막으로 형성될 수 있다. 이러한 표면막으로는 두종류가 알려져 있는데 선형 폴리머 고리구조로 이루어져 있다고 생각되는 제 1 동 표면합성물(cuprous surface complex)와, 네트워크 구조로 예상되는 제 2 동 표면합성물(cupric surface complex)이다. 구리는 대기압, 25도C에서 산화막을 형성하기 위한 평형산소분압이 10^-55atm 정도밖에 되지 않기 때문에, 구리 표면은 산화막으로 덮여 있으며 벤조트리아졸 흡착기제는 이러한 대기중에서 형성된 산화막이라고 말할 수 있다.

제 2 도를 참조하면, 합성물형성 메카니즘은 벤조트리아졸의 나이트로젠에 붙어 있는 H⁺가 표면산화막의 환원시 H₂O를 형성하여 떨어져 나가고 BTA^-의 나이트로젠 론 페어(nitrogen lone pair)를 통해서 구리기체와 결합하게 된다. 이러한 구리-벤조트리아졸의 결합 때문에 부식시트로 작용할 가능성이 있는 자유로운 표면 구리 원자가 더 이상 존재하지 않게 되며, 서로 입접한 벤조트리아졸 분자간의 수소결합은 구리기체에 화학흡착된 벤조트리아졸이 안정하고 수분 불용해토록 만들어주는 중합을 위한 추진력을 제공하여 준다. 이와 같은 구리-벤조트리아졸 합성물 피복층은 높은 열적 및 산화 안정성을 가지게 된다. 실제로 순수한 벤조트리아졸은 100도C이하에서 쉽게 증발해 버리는반면에 구리-벤조트리아졸 화합물은 200도C 이하에서는 열적 활성을 보이지 않는다.

본 발명에 의한 표면처리방법은 분말형태의 벤조트리아졸 0.01몰을 상온에서 증류수에 녹여 1리터의 용액을 만듦으로서 0.01몰농도의 벤조트리아졸 수용액을 만든다. 만들어진 0.01몰농도의 벤조트리아졸 수용액내에 구리계 리드프레임을 소정 시간 침수켰다가 꺼내어서 에어블루 방식으로 1차 건조한 후에 상온 및 건조기에서 완전 건조시킨다. 이러한, 표면처리방법은 공정이 매우 단순하여 경제적 부담이 거의 없는 장점이 있다.

본 발명에서는 표면 코팅처리시간에 따른 벤조트리아졸 코팅처리된 구리의 표면변화를 고찰하고 표면처리된 구리계 리드 프레임의 조립공정에 미치는 영향을 다음과 같은 실험을 통하여 고찰하였다.

실험1 원자재 표면부식정도

제 3 도에는 표면처리를 하지 않은 구리 원부자재와, 30초, 60초, 120초동안 표면처리한 원부자재들의 하절기의 높은 습도와 온도등으로 인하여 자주 발생되는 변색, 얼룩 산화 등의 불량이 미치는 현상을 나타낸 표면사진들이다. 제 3 도에서 표면처리되지 않은 원부자재의 표면에는 붉은 색으로 심하게 부식되고 많은 얼룩이 관찰된 반면에 표면처리를 한 원부자재들의 표면에는 부식정도가 육안으로는 관찰되지 않을 만큼 미미하였고 원래의 색깔은 그대로 유지하였다. 표면처리시간이 너무 길어지면 부식방지에는 효과가 있으나 미세한 물방울 자국이 증가됨을 보였으며 30초 내지 60초 정도의 처리 시간이 비교적 양호한 표면상태를 보여 주었다.

실험 2 다이부착에 미치는 영향

반도체 조립공정 중 다이 부착과 와이어 본딩시 다이 접착제의 경화와 리드 프레임의 예열을 위해서 보통 200도C 내지 250도C 정도의 온도에서 공정이 진행되며 이 과정 중에서 구리계 리드 프레임의 표면에 과도한 산화막이 형성되게 된다. 제 4 도는 조립공정을 마친 후의 구리계 리드 프레임의 표면상태를 나타낸다. 표면처리를 하지 않은 리드프레임의 표면에는 붉은 산화막이 형성된 상태를 보이나 표면처리를 한 리드 프레임의 표면에는 산화막의 형성이 억제되었음을 보이고 있다.

표면처리가 다이 부착공정 후 실리콘 칩과 접착제에 미치는 영향을 보기 위해 구리계 리드 프레임의 은도금되어 있는 면과 뒷면의 구리표면에 은-에폭시계의 다이 접착제를 이용하여 실리콘 칩을 각각 부착한 후에 접착력을 Z-AXIS PULL STUD 방법을 이용하여 측정한 결과 제 5 도의 그래프를 얻었다. 측정 결과, 전체적으로 구리계 리드 프레임의 다이 패드상에 은도금되어 있는 부분과의접착력이 구리표면의 접착력보다 높음을 보여주고 있으며 표면처리하지 않은 리드프레임과 비교하여 은도금이 되어 있는 경우, 최대 약 35%가지의 접착력 증가를 보였다. 60초 처리후 60초간 증류수로 세척한 경우에는 도리어 접착력이 감소하고 있음을 보여주고 있다. 이 실험결과는표면처리가 다이 부착공정에 부정적인 영향을 미치지 않으며 표면처리를 한 후에 후세척공정이 불필요함을 보여준다. 구리표면의 경우 표면처리 시간에 따라 접착력이 10% 내지 25% 정도 감소함을 보여주고 있다. 세척공정을 거친 후에도 접착력에 변화가 없는 것은 벤조트리아졸이 구리와 불용해 화합물 분자를 형성했음을 의미한다.

실험 3 와이어 본딩에 미치는 영향

표면처리후 와이어 본딩, 특히 웨지 본딩의 신뢰도를 와이어 풀테스트 방법을 이용해 검증해 보았으며, 메카니컬 측면에서의 결과를 제 6 도에 도시한 바와 같이 얻었다. 테스트 후에 화이어 실패모드는 금 와이어 루프상의 테스트 고리의 위치에 따라 볼넥크 브로큰과 에지 브로큰 모드로 구분이 되며 두 경우 모두 미처리 리드프레임과 비교하여 유의차가 없거나 실질적으로 표면처리를 60초 처리한 경우 와이어의 풀 아웃 로드가 약 8%정도 증가됨을 보여주고 있다. 이러한 결과는 제 7 도에 주어져 있는 와이어 풀 테스트후 제 2 본딩부분의 스캐닝 일렉트론 마이크로그래프와 잘 부합이 되고 있다. 즉 표면처리가 되어 있지 않은 경우 은도금된 부분과 금와이어의 스티취(STITCH)부분에서 광범위한 박리가 관찰되는 반면, 표면처리가 된 경우에는 박리된 영역이 적으며 우수한 접착특성을 보이고 있다. 결론적으로 표면처리가 금와이어 본딩의 신뢰성에 긍정적인 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.

실험 4 몰딩수지에 미치는 영향

조립공정을 마친 후에 플라스틱 패키지를 85도C/85% RH 48시간 168시간 프리콘디션 테스트를 진행한 결과 표면처리를 하지 않은 패키지의 경우 48시간까지는 패드 아래쪽에서의 디라미네이션과 접착제의 응집성크랙이 관찰되었으나 내부 크랙이 발생되지는 않았지만 168시간이 지난 후 무작위로 추출한 4패키지 중 2개에서 내부 크랙이 발생되었다. 반면에 30초, 60초동안 표면처리한 리드프레임을 적용한 패키지의 경우에는 48시간의 테스트 후의 결과는 미처리 패키지와 유의차가 없었으며 168시간 테스트 후에도 전혀 내부 크랙이 발생되지 않았다. 결론적으로 플라스틱 패키지의 전반적인 신뢰도 향상에 구리계 리드프레임의 표면처리가 매우 고무적인 결과를 가지고 왔음을 알 수 있다.

이상의 실험의 겨롸 조립 공정전에 벤조트리아졸로 표면 처리를 한 구리계 리드 프레임을 사용하여 반도체 장치를 조립하더라도 다이부착-와이어 본딩-수지 봉지 등의 공정에 아무런 영향을 미치지 않았음을 알 수 있고, 조립공정전에 미리 표면처리를 함으로써 침수시간을 30초 내지 60초 이내로 짧게 할 수 있으며 균일한 코딩이 가능하며, 조립공정후에는 수용액을 사용하는 것이 불리하여 알코올 용액을 사용하여야 하나 조립공전제 침수하기 때문에 벤조트리아졸 수용액내에서 표면처리를 할 수 있어서 재료를 절감할 수 있는 잇점이 있다.

Claims (6)

1. 반도체 다이가 부착되는 다이패드와, 본딩 와이어가 본딩되는 내부리드와, 내부리드로부터 연장되어 몰딩수지 봉지체의 밖으로 노출된 외부리드를 가지는 반도체용 리드 프레임에 있어서, 상기 리드 프레임은 표면 부식 억제용 표면 처리제로 조립공정전에 피복된 것을 특징으로 하는 반도체용 리드 프레임.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 부식 억제용 표면처리제는 벤조트리아졸인 것을 특징으로 하는 반도체용 리드프레임.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 리드프레임의 재질은 구리를 주성분으로 하는 구리계 금속인 것을 특징으로 하는 반도체용 리드프레임.
4. 반도체용 구리계 리드프레임을 벤조트리아졸 수용액속에 소정 시간 디핑하는단계; 및 상기 수용액 속에서 반도체용 리드 프레임을 꺼내서 상온 및 건조기에서 건조하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체용 구리계 리드프레임의 표면처리방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 디핑하는 시간은 30-60초 정도인 것을 특징으로 하는 반도체용 구리계 리드 프레임의 표면처리방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 상온 건조 전에 에어블루 건조공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체용 구리계 리드프레임의 표면처리방법.