KR100233006B1 - Structure of semiconductor package - Google Patents
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Abstract
동일한 다이 패드 상에 MOSFET와 제어 IC가 각각 도전성 접착제와 절연성 접착제로 부착되고 절연성 접착제에 소정직경을 갖는 절연성 비드가 첨가되며 절연성 비드의 알칼리 금속의 함량을 5% 이하로 하여 절연성 비드 자체의 절연내압을 향상시킨다.On the same die pad, the MOSFET and the control IC are respectively attached with a conductive adhesive and an insulating adhesive, and an insulating bead having a predetermined diameter is added to the insulating adhesive. To improve.
Description
본 발명은 반도체 패키지 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동일한 다이 패드 상에 MOSFET와 제어 IC가 각각 도전성 접착제와 절연성 접착제로 부착되고 절연성 접착제에 소정직경을 갖는 절연성 비드가 첨가되며 절연성 비드의 알칼리 금속의 함량을 5% 이하로 하여 절연성 비드 자체의 절연내압을 향상시킨 반도체 패키지에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor package structure, and more particularly, a MOSFET and a control IC are attached to the same die pad with a conductive adhesive and an insulating adhesive, respectively, and an insulating bead having a predetermined diameter is added to the insulating adhesive and an alkali metal of the insulating bead It relates to a semiconductor package in which the content of 5% or less improves the dielectric breakdown voltage of the insulating beads themselves.
전자 제품의 경량 박형화에 따라 반도체 부품수를 줄이거나 고밀도 실장 패키지를 개발하려는 추세가 계속되고 있는 바, SMPS(Smart Power Switch)도 그 중의 한 가지 방법이다. 즉, 동작시에 전력량과 발열량이 많은 반도체 소자, 즉 파워 트랜지스터로 사용되는 MOSFET와 이를 제어하기 위한 제어 IC를 하나의 패키지에 함께 통합시켜 밀봉하는 것이다.The trend towards reducing the number of semiconductor components or developing high-density packaging packages continues to take place as electronic products become lighter and thinner. SMPS (Smart Power Switch) is one such method. In other words, a semiconductor device having a large amount of power and heat generation during operation, that is, a MOSFET used as a power transistor and a control IC for controlling the same are integrated and sealed together in one package.
도 1에는 이러한 종류의 패키지의 일반적인 형태가 도시되어 있다.1 shows the general form of a package of this kind.
도시된 바와 같이 리드프레임의 다이 부착 패드(5) 위에는 MOSFET 또는 바이폴라 IC 등과 같은 전력 IC(2)와 제어 IC(1)가 놓여진다. 이때 전력 IC(2)는 통상 후면(back side) 자체가 드레인으로 사용되기 때문에 도전성의 솔더 접착제(4)에 의해 다이 패드(5)에 부착되며, 반면에 제어 IC(1)는 다이 패드(5)와 전기적으로 분리될 필요가 있기 때문에 절연성 에폭시 접착제(3)에 의해 다이 패드(5)에 부착된다. 이때, MOSFET 등의 전력 IC는 동작시에 드레인단에 보통 800 V 정도의 전압이 걸리기 때문에 이 드레인단과 전기적으로 연결되어 있는 다이 패드(5)에 대해서 높은 절연성의 접착제를 사용해야만 한다.As shown, a power IC 2 and a control IC 1, such as a MOSFET or a bipolar IC, are placed on the die attach pad 5 of the leadframe. At this time, the power IC 2 is usually attached to the die pad 5 by the conductive solder adhesive 4 because the back side itself is used as the drain, while the control IC 1 is attached to the die pad 5. It is attached to the die pad 5 by an insulating epoxy adhesive 3 because it needs to be electrically separated. At this time, since power ICs such as MOSFETs usually apply a voltage of about 800 V to the drain stage during operation, a high insulating adhesive must be used for the die pad 5 electrically connected to the drain stage.
이에 따라 종래에는 절연 에폭시(3)의 두께를 조절하여 절연내압을 향상시켰다. 실질적으로 절연내압은 절연 에폭시의 두께에 비례하지만 두께를 증가시키는데는 한계가 있다. 문제는 액상의 에폭시에 대해 정확하게 두께를 조절하는 것이 불가능하다는 것이다. 예를 들어, 절연 에폭시의 두께를 1.0 mil로 조절한다고 하면 실제 오차는 1.0 mil±0.5 mil 이며, 이로 인한 절연내압의 범위는 500 V에서 3000 V가 된다. 따라서 상기한 바와 같이 MOSFET의 경우에는 다이 패드에 걸리는 전압이 800 V 정도이므로 어떤 경우에서는 절연이 파괴되는 상황이 발생할 수도 있다.Accordingly, conventionally, the insulation breakdown voltage is improved by controlling the thickness of the insulation epoxy 3. The dielectric breakdown voltage is substantially proportional to the thickness of the insulating epoxy, but there is a limit to increasing the thickness. The problem is that it is impossible to precisely control the thickness for liquid epoxies. For example, if the thickness of insulating epoxy is adjusted to 1.0 mil, the actual error is 1.0 mil ± 0.5 mil, resulting in a breakdown voltage range of 500 V to 3000 V. Therefore, as described above, since the voltage applied to the die pad is about 800 V, in some cases, insulation may be broken.
따라서 반도체 칩의 신뢰성이라는 측면에서 본다면, 절연 파괴가 자주 발생하지 않는다 해도 일단 발생한다는 자체로 신뢰도가 떨어지는 것이다. 다시 말해 800 V가 인가된 상태에서 외부의 어떠한 조건하에서도 절연 파괴가 발생하지 않을 때에만 신뢰성이 있다고 말할 수 있는 것이다.Therefore, in terms of the reliability of the semiconductor chip, even if the breakdown does not occur often, the reliability itself is low. In other words, it can be said that it is reliable only when 800 V is applied and no dielectric breakdown occurs under any external condition.
도 2에는 절연내압을 향상시키기 위해 에폭시 접착제 내에 절연성 비드가 첨가된 종래의 패키지의 단면도가 도시되어 있다.2 is a cross-sectional view of a conventional package in which insulating beads are added in an epoxy adhesive to improve dielectric breakdown voltage.
도시된 바와 같이 리드프레임의 다이 부착 패드(5) 위에는 MOSFET 또는 바이폴라 IC 등과 같은 전력 IC(2)와 제어 IC(1)가 놓여진다. 이때 전력 IC(2)는 통상 후면 자체가 드레인으로 사용되기 때문에 도전성의 솔더 접착제(4)에 의해 다이 패드(5)에 부착되며, 반면에 제어 IC(1)는 다이 패드(5)와 전기적으로 분리될 필요가 있기 때문에 절연성 에폭시 접착제(3)에 의해 다이 패드(5)에 부착된다.As shown, a power IC 2 and a control IC 1, such as a MOSFET or a bipolar IC, are placed on the die attach pad 5 of the leadframe. At this time, the power IC 2 is usually attached to the die pad 5 by the conductive solder adhesive 4 because the rear surface itself is used as a drain, while the control IC 1 is electrically connected to the die pad 5. It is attached to the die pad 5 by an insulating epoxy adhesive 3 because it needs to be separated.
이때, 제어 IC(1)를 다이 패드(5)에 부착하는 접착제에는 고형의 절연성 비드(bead)가 첨가되어 있다. 이러한 고형의 절연성 비드에 의해 에폭시 접착제의 두께가 정밀하게 조절될 수 있기 때문에 필요로 하는 절연내압을 갖는 두께로 조절이 가능한 것이다.At this time, a solid insulating bead is added to the adhesive for attaching the control IC 1 to the die pad 5. Since the thickness of the epoxy adhesive can be precisely controlled by the solid insulating beads, it is possible to control the thickness having the dielectric breakdown voltage required.
절연성 비드를 접착제에 첨가하기 위해 에폭시 접착제의 구성성분을 보면, 통상 40% 정도의 에폭시와 50% 정도의 절연성 필러(filler), 예를 들어 SiO2와 기타 첨가제로 이루어져 있다. 따라서 혼합을 용이하게 하기 위해 일실시예로 에폭시 접착제의 구성성분 중의 하나인 절연성인 SiO2를 이용하여 비드를 제조한다.Looking at the components of an epoxy adhesive to add insulating beads to the adhesive, it usually consists of about 40% epoxy and about 50% insulating filler, for example SiO 2 and other additives. Thus, beads are prepared using insulating SiO 2 , which is one of the components of the epoxy adhesive, to facilitate mixing.
이를 위해 일반적으로 SiO2를 포함하고 있는 통상의 소다 라임 글래스(soda lime glass)를 이용하여 일정한 직경을 갖는 비드를 형성하여 이를 에폭시 접착제에 첨가한다. 다음에 절연성 글래스 비드가 첨가된 접착제를 사용하여 제어 IC(1)를 다이 패드에 부착하여 몰딩 공정을 거친 후 패키지를 완성한다.To this end, beads having a constant diameter are formed using a conventional soda lime glass, which generally contains SiO 2 , and added to the epoxy adhesive. Next, the control IC 1 is attached to the die pad by using an adhesive with insulating glass beads, followed by a molding process to complete the package.
이때 비드의 직경을 각각 1 mil, 3 mil, 5 mil로 하여 패키지를 완성한 후 절연내압을 측정하였다. 직경이 1 mil인 경우는 1000 ∼ 3000 V의 절연내압을 가지며 3 mil인 경우는 1500 ∼ 5000 V, 5 mil 인 경우는 2000 ∼ 5000 V로 각각 높은 절연내압을 보여주고 있다. 이 실시예에서는 글래스 비드를 사용하였지만, 세라믹 비드 등의 절연성 비드가 사용될 수 있음은 물론이다.At this time, the bead diameter was measured to 1 mil, 3 mil, 5 mil, respectively, and then the insulation breakdown voltage was measured. When the diameter is 1 mil, the dielectric breakdown voltage is 1000 to 3000 V, and when 3 mil is the 1500 to 5000 V and when the 5 mil is 2000 to 5000 V, the dielectric breakdown voltage is high. Although glass beads are used in this embodiment, insulating beads such as ceramic beads can be used as a matter of course.
이와 같이 종래에는 에폭시에 첨가된 절연성 비드가 에폭시의 두께를 일정하게 조절할 수 있기 때문에 절연내압의 범위가 일정하여 실제 적용시 패키지의 신뢰성을 향상시킨다. 또한 글래스 비드 자체가 절연성이기 때문에 상기한 바와 같이 향상된 절연내압을 갖게 된다.As described above, since the insulating beads added to the epoxy can adjust the thickness of the epoxy constantly, the dielectric breakdown voltage is constant, thereby improving the reliability of the package in actual application. In addition, since the glass beads themselves are insulating, they have improved dielectric breakdown voltage as described above.
이와 같이 종래기술에 의해 완성된 패키지는 높은 절연내압을 갖고 어느 정도 제품의 신뢰성을 갖기는 하지만 어떠한 외부 조건에도 만족스러운 신뢰성을 보인다고는 할 수 없다.Thus, the package completed by the prior art has a high dielectric breakdown voltage and a certain degree of reliability of the product, but it cannot be said that it shows satisfactory reliability under any external conditions.
일례로, HTRB(High Temp. Reverse Bias) 테스트에서 샘플에 640 V의 전압을 걸고 온도를 상온에서 125 ℃로 올린 다음 500 시간 방치하여 두었다. 그 결과 글래스 비드의 직경이 3 mil 혹은 5 mil의 경우에는 전체 샘플의 5% 이내에서 절연 파괴가 발생하였고, 직경이 1 mil인 경우에는 절연 파괴가 상당히 발생하였다. 다시 말해 외부 조건이 상당히 열악한 상황에서는 일부 절연 파괴가 발생할 수도 있다는 것이다.As an example, in the High Temp. Reverse Bias (HTRB) test, a voltage of 640 V was applied to the sample, the temperature was raised to 125 ° C. at room temperature, and left for 500 hours. As a result, dielectric breakdown occurred within 5% of the total sample when the glass bead diameter was 3 mil or 5 mil, and when the diameter was 1 mil, the dielectric breakdown occurred significantly. In other words, some breakdowns may occur under extreme conditions.
결과적으로 절연성 비드의 직경에 의해 정해지는 에폭시 접착제의 두께에 의해 절연 파괴의 발생 정도가 영향을 받는다는 것을 감안하더라도 실질적으로 신뢰성에 있어서는 전체적으로 문제가 되었다. 이를 위해 절연성 비드의 직경을 다소 크게 한다면 절연 파괴는 그렇게 많이 발생하지는 않겠지만 어떻든 신뢰성 문제에 있어서는 완전하다고는 할 수 없다.As a result, even if it is considered that the occurrence of the dielectric breakdown is affected by the thickness of the epoxy adhesive determined by the diameter of the insulating beads, the reliability is substantially a problem as a whole. To this end, if the diameter of the insulating beads is rather large, the dielectric breakdown may not occur so much, but it may not be perfect in reliability problems.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로 절연내압에 대한 신뢰성을 향상시킨 반도체 패키지를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to solve such a conventional problem, and to provide a semiconductor package having improved reliability of dielectric breakdown voltage.
도 1은 이종 IC를 갖는 일반적인 반도체 패키지의 평면도1 is a plan view of a typical semiconductor package having heterogeneous ICs
도 2는 종래 기술에 따른 반도체 패키지를 나타내는 단면도2 is a cross-sectional view showing a semiconductor package according to the prior art
도 3은 본 발명에 따른 반도체 패키지의 다른 일실시예를 나타내는 단면도3 is a cross-sectional view showing another embodiment of a semiconductor package according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 제어 IC 2 : 전력 IC 3 : 에폭시 접착제1: control IC 2: power IC 3: epoxy adhesive
4 : 솔더 접착제 5 : 다이 부착 패드 6 : 금속 와이어4: solder adhesive 5: die attach pad 6: metal wire
7 : 인너 리드 8 : 절연막7: inner lead 8: insulating film
본 발명에 따르면, 동일한 다이 패드 상에 MOSFET와 제어 IC가 각각 도전성 접착제와 절연성 접착제로 부착되고 절연성 접착제에 소정직경을 갖는 절연성 비드가 첨가되며 절연성 비드의 알칼리 금속의 함량을 5% 이하로 하여 절연성 비드 자체의 절연내압을 향상시킨 반도체 패키지가 개시된다.According to the present invention, a MOSFET and a control IC are attached to the same die pad with a conductive adhesive and an insulating adhesive, respectively, and an insulating bead having a predetermined diameter is added to the insulating adhesive, and the insulating metal has an alkali metal content of 5% or less. Disclosed is a semiconductor package having improved dielectric breakdown voltage of a bead itself.
절연성 비드로는 보론 실리케이트 글래스나 순수 실리카가 사용될 수 있다.As the insulating beads, boron silicate glass or pure silica may be used.
또한, 바람직하게, 제어 IC의 후면에는 질화막이 도포된다.Further, preferably, a nitride film is coated on the rear surface of the control IC.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 반도체 패키지를 더욱 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a semiconductor package of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
상기한 바와 같이, 절연성 비드를 절연성 접착제에 첨가한 종래의 패키지에서 절연성 비드의 직경이 3 mil이나 5 mil의 경우에도 절연 파괴가 발생한다는 것에 대해 본 발명자들은 절연성 비드의 직경만의 문제가 아니고 다른 원인이 있을 것으로 예측하였다. 이에 따라 절연 파괴된 패키지를 분해하여 분석한 결과 절연성 비드 자체가 절연 파괴되는 확률이 높다는 것을 알게 되었다.As described above, the present inventors have found that not only the diameter of the insulating beads but also the problem that the breakdown occurs even when the diameter of the insulating beads is 3 mil or 5 mil in the conventional package in which the insulating beads are added to the insulating adhesive. It was predicted to have a cause. As a result, it was found that the dielectric beads themselves had a high probability of dielectric breakdown.
종래에 사용된 소다 라임 글래스에는 통상적으로 SiO2이외에 각종 불순물들이 포함되어 있다. 예를 들어, Na2O, K2O, CaO 및 MgO 등으로 주로 원자가 1가 또는 원자가 2가로 이루어진 알칼리 금속의 불순물들이 포함되어 있다.Soda lime glass used in the prior art typically contains various impurities in addition to SiO 2 . For example, impurities such as Na 2 O, K 2 O, CaO, MgO, and the like are mainly composed of monovalent or valent divalent alkali metals.
이와 같은 알칼리 금속에 고전압이 걸리게 되면 알칼리 금속이 이온화되어 전기 전도가 발생함으로써 절연내압을 떨어뜨리고 기계적 강도를 저하시킨다. 이에 따라 절연성 비드 자체가 파괴됨으로써 절연 파괴가 발생하게 된다.When a high voltage is applied to the alkali metal, the alkali metal is ionized to generate electrical conduction, thereby lowering the dielectric breakdown voltage and lowering the mechanical strength. As a result, the insulating beads themselves are broken, thereby causing dielectric breakdown.
일반적인 소다 라임 글래스는 대략 14% 정도의 알칼리 금속의 불순물을 가지며 절연 파괴 전압은 5 ∼ 20 KV/mm 정도이다.Typical soda lime glass has an alkali metal impurities of about 14% and a dielectric breakdown voltage of about 5 to 20 KV / mm.
따라서 종래의 구조에 따른 반도체 패키지의 신뢰성을 더욱 향상시키기 위해서는 알칼리 금속의 함량이 적거나 혹은 알칼리 금속이 포함되어 있지 않는 재질의 절연성 비드를 에폭시 접착제에 첨가해야 한다는 결론에 도달하였다.Therefore, in order to further improve the reliability of the semiconductor package according to the conventional structure, it was concluded that insulating beads made of a material containing little alkali metal or no alkali metal should be added to the epoxy adhesive.
알칼리 금속의 함량이 적은 글래스로써는, 예를 들어, 보론 실리케이트 글래스(Boron Silicate Glass)를 들 수 있는데 소다 라임 글래스에 대해 알칼리 금속의 불순물의 비율이 대략 3% 정도인 고순도의 글래스이다. 또한 알칼리 원소가 포함되어 있지 않은 글래스로써는 순수 SiO2를 들 수 있다.Examples of the glass having a low content of alkali metal include, for example, boron silicate glass, which is a glass of high purity in which the ratio of impurities of the alkali metal to the soda lime glass is about 3%. In addition, pure glass of SiO 2 is mentioned as glass which does not contain an alkali element.
본 발명에 따라 보론 실리케이트 글래스를 이용하여 일정한 직경을 갖는 비드를 형성하여 이를 에폭시 접착제에 첨가한 다음에 보론 실리케이트 글래스 비드가 첨가된 접착제를 사용하여 제어 IC(1)를 다이 패드에 부착하여 몰딩 공정을 거친 후 패키지를 완성한다.According to the present invention, a bead having a constant diameter is formed using boron silicate glass and added to the epoxy adhesive, followed by attaching the control IC 1 to the die pad using an adhesive to which the boron silicate glass is added. After finishing, complete the package.
이와 같이 완성된 반도체 패키지의 절연내압을 측정한 결과, 대략 20 ∼ 35 KV/mm 정도이며, HTRB(High Temp. Reverse Bias) 테스트에서 패키지에 640 V의 전압을 걸고 온도를 상온에서 125 ℃로 올린 다음 500 시간을 방치하여 두었다. 그 결과 절연 파괴가 전혀 발생하지 않았다. 마찬가지로 순수 SiO2로 만들어진 고순도의 비드를 에폭시 접착제에 첨가한 경우에서도 전혀 절연 파괴가 발생하지 않았다.As a result of measuring the dielectric breakdown voltage of the completed semiconductor package, it was about 20 to 35 KV / mm. In the HTRB (High Temp. Reverse Bias) test, a voltage of 640 V was applied to the package and the temperature was raised to 125 ° C from room temperature. The next 500 hours were left to stand. As a result, no dielectric breakdown occurred. Similarly, no dielectric breakdown occurred even when high purity beads made of pure SiO 2 were added to the epoxy adhesive.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 절연성 비드의 알칼리 금속의 함량은 전체 함량에 대해 5% 이하이다. 이 정도의 함량에서 절연내압은 800 V를 충분히 견딜 수 있는 것으로 판명되었다.According to a preferred embodiment of the present invention, the content of alkali metal of the insulating beads is 5% or less with respect to the total content. At this level, the dielectric breakdown voltage was found to withstand 800 V.
도 3에는 본 발명의 다른 실시예가 도시되어 있다.3 shows another embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이 제어 IC(1)의 후면 자체에는 질화막이나 BCB가 스핀 코팅되어 있다. 이 상태에서 알칼리 금속의 함량이 적은 재질의 절연성 비드 혹은 알칼리 금속이 포함되지 않은 재질의 절연성 비드가 첨가된 에폭시 접착제를 사용하여 제어 IC를 다이 패드(5)에 부착한다.As shown, the back surface of the control IC 1 is spin coated with a nitride film or BCB. In this state, the control IC is attached to the die pad 5 by using an insulating bead of a material having a low alkali metal content or an epoxy adhesive to which an insulating bead of a material containing no alkali metal is added.
이와 같이 제어 IC의 후면 자체에 절연막이 도포된 경우에는 IC 자체의 절연 특성에 의해 절연내압이 상당히 향상되기 때문에 에폭시 접착제의 두께를 줄일 수 있으며, 알칼리 금속의 함량이 많은 재질의 비드를 첨가하더라도 어느 정도 신뢰성을 갖게 할 수 있다.In this case, when the insulating film is applied to the rear surface of the control IC itself, the insulation breakdown voltage is significantly improved due to the insulation characteristics of the IC itself. Therefore, the thickness of the epoxy adhesive can be reduced, and even if beads of high alkali metal content are added, It can be made reliable.
이와 같이 본 발명은 동일한 다이 패드 상에 MOSFET와 제어 IC가 각각 도전성 접착제와 절연성 접착제로 부착되고 절연성 접착제에 소정직경을 갖는 절연성 비드가 첨가되며 절연성 비드의 알칼리 금속의 함량을 5% 이하로 하여 절연성 비드 자체의 절연내압을 향상시킴과 동시에 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.Thus, in the present invention, the MOSFET and the control IC are attached to the same die pad with a conductive adhesive and an insulating adhesive, respectively, and an insulating bead having a predetermined diameter is added to the insulating adhesive, and the alkali metal content of the insulating beads is 5% or less. In addition to improving the dielectric breakdown voltage of the beads themselves, the reliability of the package can be improved.
Claims (4)
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| JPH0745754A (en) * | 1993-07-30 | 1995-02-14 | Kyocera Corp | Ic sealing resin |
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Legal Events
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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Payment date: 20080904 Year of fee payment: 10 |
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| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |