KR100234165B1 - 반도체 리드 프레임의 도금층 구조 - Google Patents

Abstract

반도체 리드 프레임의 도금층 구조를 개시한다. 본 발명은 반도체 리드 프레임을 이루고 있는 금속 소재의 기판과; 상기 기판위에 형성된 Ni-X 조성 합금 도금층; 및 상기 Ni-X 조성 합금 도금층 위에 형성된 Pd 도금층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 도금층을 구비한 반도체 리드 프레임이 제공된다. 본 발명의 반도체 리드 프레임 도금층 구조는 내부식성 및 납땜성을 향상시킨다.

Description

반도체 리드 프레임의 도금층 구조

본 발명은 반도체 리드 프레임에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내부식성과 납땜성 등을 향상한 도금층의 적층 구조를 개선하여 그 물성을 향상시킨 반도체 리드 프레임에 관한 것이다.

반도체 리드프레임은 반도체 칩과 함께 반도체 패키지를 이루는 핵심 구성요소의 하나로서, 반도체 패키지의 내부와 외부를 연결해 주는 도선(lead)의 역할과 반도체 칩을 지지해 주는 지지체의 역할을 겸한다. 이러한 반도체 리드 프레임은 통상 스템핑(Stamping) 프로세스와, 에칭(Etching) 프로세스라는 두가지 방법에 의해 제조된다.

스템핑 프로세스는 순차적으로 이송되는 프레스 금형장치를 이용하여 박판의 소재를 소정 형상으로 타발하여 성형하는 것으로서, 이 방법은 주로 반도체 리드 프레임을 대량 생산하는 경우에 적용하는 제조방법이다.

에칭 프로세스는 화학약품을 이용하여 소재의 국소 부위를 부식시킴으로써 제품을 형성하는 화학적 식각방법으로, 이 방법은 반도체 리드 프레임을 소량 생산하는 경우에 주로 적용하는 제조방법이다.

상기한 두가지 제조방법 중 어느 하나의 방법에 의해 제조되는 반도체 리드 프레임은 기판에 실장되는 형태 등에 따라 다양한 구조가 있다.

도 1은 통상적인 반도체 리이드 프레임의 구조를 나타내 보인 개략적인 평면도이다.

도면을 참조하면, 반도체 리드 프레임(10)은 기억소자인 칩(Chip)을 탑재하여 정적인 상태로 유지하여 주는 다이 패드부(11)와, 와이어 본딩(wire bonding)에 의해 칩과 연결되는 내부 리드(12:Internal lead) 및 외부 회로와의 연결을 위한 외부 리드(13:External lead)를 포함하는 구조로 이루어진다.

이와 같은 구조를 가지는 반도체 리드 프레임(10)은 다른 부품, 예를 들면 기억소자인 칩 등과의 조립과정을 거쳐 반도체 패키지를 이루게 된다. 이러한 반도체 패키지의 조립과정중 반도체 칩과 리드 프레임의 내부 리드와의 와이어 본딩성과 다이 패드부의 다이(DIE) 특성을 좋도록 하기 위해서, 다이 패드부(11)와 리드 프레임의 내부 리드(12)에 소정 특성을 갖는 금속 소재를 도금하는 경우가 많으며, 또한 수지 보호막 몰딩후 기판 실장을 위한 납땝성 향상을 위해 외부 리드(13)의 일정 부위에 솔더(Sn-Pb) 도금을 행한다. 그런데, 상기한 솔더 도금 과정에 있어서 도금액이 내부 리드(12)까지 침투하게 되는 경우가 빈번하게 발생하므로, 이를 제거하기 위한 추가 공정을 필요로 하는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것이 일본 특허소63-2358 공보에 개시되어 있는 선도금 리드 프레임(Pre-Plated Frame, 이하 "PPF" 라 한다)방법이다. 이 방법에 의하면 반도체 패키지 공정 전에 납 젖음성(solder wettability)이 양호한 소재의 기면(substrate)을 미리 도포하여 중간 도금층을 형성하는 것으로서, 도 2에 도금층의 구조를 개략적으로 예시하였다.

도 2를 참조해 보면, Cu 기판(21)위에 중간 도금층으로서 Ni 도금층(22)과 Pd-Ni 합금 도금층(23)이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 Pd-Ni 합금 도금층(23)의 상층에 Pd 도금층(24)이 적층되어 최외곽 도금층으로 형성되어 있는 다층의 도금층을 이루고 있다. 상기 다층의 도금층에 있어서, Ni 도금층(22)은 기판(21)의 Cu 원자가 최외곽 표면까지 확산되어 산화물이나 황화물과 같은 Cu 화합물(reactive copper products)의 생성을 방지하기 위한 것으로서, 결국 Cu 확산에 대한 방해층(barrier layer)의 역할을 하도록 형성한 것이다. 그런데, Ni 도금층(22)의 두께가 400 마이크로 인치(micro-inch:10.2μm) 이하일 경우에는 Ni 도금층(22)내에 다수의 기공(porosity)이 존재하게 되어 그 기공을 통해 Cu 원자의 확산이 발생하게 된다. 그리고, Ni 도금층(22)의 두께가 400 마이크로 인치(micro-inch:10.2μm) 이상일 경우에는 리드 프레임의 벤딩(bending)시에 Ni 도금층(22)에 균열이 현저하게 발생된다.

상기한 Ni 도금층(22)의 두께가 400 마이크로 인치(micro-inch:10.2μm) 이하일 경우에 있어서 기공을 통한 Cu 원자의 확산을 막기 위해 제안된 방법이 유럽 특허 출원 No.0250146에 개시되어 있다. 이 방법을 통하여 형성한 도금층의 구조를 도 3에 개략적으로 도시하였다.

도 3을 참조하면, Cu 기판(31)위에 중간 도금층으로서 약 5 마이크로 인치 두께의 Ni 스트라이크 도금층(32)과, 약 3 마이크로 인치 두께의 Pd-Ni 합금 도금층(33) 및 Ni 도금층(34)이 순차적으로 적층되어 있고, 최외곽 도금층으로서 상기 Ni 도금층(34)의 상층에 Pd 도금층(35)이 형성되어 있는 다층의 도금층을 이루고 있다.

그러나, 상기 구조로의 개선 시도에도 불구하고 산화물이나 황화물과 같은 Cu 부식 생성물이 리드 프레임의 최외곽 표면 위에 생성되는 경우가 많아, 이로 인한 표면 변색 및 납땜성 저하 현상이 발생하는 문제점이 있었다.

상기 도금 구조에서의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것이 미국 특허 출원 No. 5,360,991에 개시되어 있으며, 이 방법을 통하여 형성한 도금층의 구조를 도 4에 개략적으로 도시하였다.

도 4를 참조하면, Cu 기판(41)위에 중간 도금층으로서 Ni 도금층(42), Au 스트라이크 도금층(43), Pd-Ni 합금 도금층(44) 및 Pd 도금층(45)이 순차적으로 적층되어 있고, 최외곽 도금층으로서 상기 Pd 도금층(45)의 상층에 Au 도금층(46)이 형성되어 있는 다층의 도금층을 이루고 있다. 이와 같은 도금 구조에 있어서 상기 Au 스트라이크 도금층(43)은 상기 Ni 도금층(42)과 Pd-Ni 합금 도금층(44) 사이에서 접착층(adhesive layer)의 역할을 하도록 한 것이며, 상기 Pd-Ni 합금 도금층(44)위의 Pd 도금층(45)은 Pd-Ni 합금 도금층(44)에서 나오는 Ni 원자의 트랩(trap) 역할을 하도록 한 것이다. 그리고, 최외곽 도금층인 상기 Au 도금층(46)은 기공율을 감소시키고, 납땜성과 와이어 본딩성을 좋게 하기 위한 것이다. 따라서, 이 경우에는 Au의 도금으로 인하여 비용이 많이 소요되는 단점이 있었다.

한편, 상술한 종래 기술들에 의한 도금층의 구조에 있어서 또 다른 문제점으로는 중간층과 최외곽층 간의 결합상태가 약하다는 것이다. 중간 결합이 약화되면 리드의 벤딩시 균열의 시작지역(crack initiation part)으로 작용하여 쉽게 균열이 형성되는 동시에 환경에 따라서는 국부적으로 부식이 촉진되어 전체 도금층의 물성에 악영향을 미치는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술들이 가지는 문제점들을 감안하여 이를 개선코자 창출된 것으로서, 본 발명은 물성 향상을 위해 도금층의 적층 구조를 개선하여 본딩성과 결합성 및 내부식성을 향상시킨 반도체 리드 프레임을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 통상적인 반도체 리드 프레임을 나타내 보인 개략적인 평면도.

도 2 내지 도 4는 종래 반도체 리드 프레임에 적용된 도금층 구조의 여러 실시예를 나타내 보인 개략적 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 반도체 리드 프레임의 도금층 구조를 나타내 보인 개략적인 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 다른 실시예의 반도체 리드 프레임의 도금층 구조를 나타내 보인 개략적인 단면도.

〈도면 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10. 반도체 리드 프레임 11. 다이 패드부

12. 내부 리드 13. 외부 리드

21.31.41.51. 기판(리드 프레임) 22. Ni 도금층

23.33.44. Pd-Ni 합금 도금층 24.35.45.53.64. Pd 도금층

32. Ni 스트라이크 도금층 34.42. Ni 도금층

43. Au 스트라이크 도금층 46. Au 도금층

52..Ni-X 조성 합금 도금층 63. Pd 스트라이크 도금층

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반도체 리드 프레임을 이루고 있는 금속 소재의 기판과; 상기 기판위에 형성된 Ni-X 조성 합금 도금층; 및 상기 Ni-X 조성 합금 도금층 위에 형성된 Pd 도금층;을 포함하는 다층의 도금층 구조를 그 특징으로 한다.

상기 본 발명에 따른 다층 구조의 도금층을 구비한 반도체 리드 프레임에 있어서, 상기 기판은 Cu, Cu 합금, Ni합금 중 어느 하나인 것이 바람직하며, 그 두께는 0.1 내지 3.0 mm 범위로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 Ni-X 조성 합금 도금층은 Ni을 주성분으로 하여 P 와 B 중 어느 하나의 원소가 첨가되는 것이 바람직하며, Ni-X 조성 합금 도금층의 두께는 0.1 내지 2.0μm 범위로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 Ni 도금층은 0.1 내지 2.0μm 범위의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다층 구조의 도금층을 가지는 반도체 리드 프레임을 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에 따른 반도체 리드 프레임의 도금층 구조를 나타내 보인 개략적 단면도이다.

도 5를 참조하여 본 발명에 따른 반도체 리드 프레임의 도금층 구조에 대해 살펴 보면 다음과 같다.

반도체 리드 프레임을 이루고 있는 금속 소재의 기판(51)위에 Ni-X 조성 합금 도금층(52)이 순차 형성되어 중간 도금층을 이루고 있고, 상기 Ni-X 조성 합금 도금층(52)위에 Pd 도금층(53)이 형성되어 최외곽의 도금층을 이루고 있는 다층 구조이다.

상기 구조에 있어서, 반도체 리드 프레임인 상기 기판(51)은 Cu, Cu합금 및 Ni합금 중 어느 하나로서 0.1 내지 3.0mm 범위의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 Ni-X 조성 합금 도금층(52)은 Ni을 주성분으로 하고 P 와 B 중 어느 하나의 원소가 첨가된 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 Ni-X 조성 합금 도금층(52)의 두께는 0.1 내지 1.0m 범위를 가지면 적당한데, Ni에 첨가되는 합금 조성 원소 X의 양에 따라 적정 두께의 범위가 약간씩 달라질 수 있다. 예를 들면, 합금 조성 원소 X의 양이 증가함에 따라 도금층의 두께는 얇아진다.

상기 Ni-X 조성 합금 도금층(52)은 Pd 도금층(53)의 하지층으로 Ni 대신에 Ni-P 또는 Ni-B 합금 도금이다. 여기서 P 또는 B는 그 입자가 미세한 도금층을 형성하기 위해 최소한 1% 이상 되어야 한다. 또한, P 또는 B의 첨가에 의해 Ni의 도금시 P 가 공석되고 P의 공석시 Ni은 조대한 입자로 석출되지 않고 미세하게 형성될 수 있으며, 하지 금속 소재의 확산 경로가 길어져 납땜성(solderability)이 향상된다. 한편 이들 미세한 입자는 금속 소재 표면에 존재하는 압연 자국 이나 불균일 변형부를 효과적으로 체워넣을 수 있어서 전체적으로는 부드럽고 완만한 표면이 형성된다. 따라서 상기 Ni-X 조성 합금 도금층(52)의 상층에 형성되는 Pd 도금층(53)은 보다 결함이 적은 도금층을 얻을 수 있다. 뿐만아니라, 상기 Ni-X 조성 합금 도금층(52)은 P 와 B를 함유하기 때문에 그 자체의 남땜성이 우수한 성질을 갖는다.

본 실시예에서는 최외곽의 도금층으로 Pd 합금을 적용하였다. 이는 Cu 소재의 리드 프레임 위에 도포된 Pd 도금층(53)의 부식성을 결정하는 중요한 인자로서 Pd 도금층(53) 형성시에 도금층 내로 확산되는 수소의 양(수소흡장량)이 있는데, 이 수소흡장량은 상기 Ni-X 조성 합금 도금층(52)의 작용으로 인해 Pd-Au 등의 합금을 사용하는 얻는 결과와 동일한 효과를 달성할 수 있기 때문에 와이어 본딩시에 Pd 와이어와의 본딩성을 높이고, 우수한 내식성을 얻을 수 있도록 한 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 다른 실시예의 다층 구조의 도금층을 가지는 반도체 리드 프레임의 개략적인 단면도이다.

도면을 참조하면, 반도체 리드 프레임을 이루고 있는 금속 소재의 기판(61)위에 Ni-X 조성 합금 도금층(62)이 순차 형성되어 중간 도금층을 이루고 있고, 상기 Ni-X 조성 합금 도금층(62)위에 Pd 도금층(64)이 형성되어 최외곽의 도금층을 이루고 있는 다층 구조는 도 5에 도시된 것과 동일하며, 상기 Ni-X 조성 합금 도금층(62)과 최외각층인 Pd 도금층(64)사이에 Pd 스트라이크 도금층(63)이 형성되어 상기 Ni-X 조성 합금 도금층(62)과 함께 중간 도금층을 이루는 점이 상술한 실시예의 다층 구조를 가지는 반도체 리드 프레임의 중간 도금층과 다르다

이와 같이 중간 도금층이 Ni-X 조성 합금 도금층(62)위에 Pd 스트라이크 도금층(63)을 순차적으로 형성되면, 상기 Pd 스트라이크 도금층(63)은 그 하층인 Ni-X 조성 도금층(62) 표면의 기공을 은폐시키고 표면조도를 균일화할 수 있게 되므로, 이어서 전착될 Pd 도금층(64)의 두께를 균일하게 유지할 수 있다. 이렇게 하면, 염수 분위기(salt atmosphere)하에서의 전형적인 부식 현상인 국부 부식을 현저히 줄일 수 있는 효과가 있다. 상기 Pd 스트라이크 도금층(63)의 또 다른 중요한 역할은 중간층인 Ni-X 조성 합금 도금층(62)과 최외곽층인 Pd 도금층(64)간의 결합력을 증대시키는 매체로서의 역할을 하는 것이다. 이러한 접착력 강화를 통하여 리드 프레임의 패드 상에 반도체 칩을 실장한 후에 이어지는 트리밍(triming) 및 포밍(forming) 과정에서 발생되는 균열의 생성 및 진행을 최소화시킬 수 있다. 따라서, 내부식성의 증가는 물론, 기판의 기저 합금 원소(예를 들면, Cu)의 확산과 중간층의 Ni 확산도 방지하는 역할을 하게 됨으로써 결국 납땜성을 증대시킨다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 리드 프레임은, 중간 도금층으로 Ni-X 조성 합금 도금층 또는 Ni-X 조성 합금 도금층에 Pd 스트라이크 도금층을 더 구비하여 형성하고 최외곽 도금층으로 Pd 도금층을 형성한 다층 구조의 도금층을 구비한 것으로, P 나 B의 첨가에 의한 Ni-X 조성 합금 도금층 또는 Pd 스트라이크 도금층에 의해 표면조도의 균일화로 최외곽의 Pd 도금층의 두께를 균일하게 유지하여 내부식성을 높이는 동시에, 접착력 강화를 통해 균열의 생성 및 진행을 최소화시킴으로써 와이어 본딩성 및 납땜성 등 리드 프레임의 제반 특성을 향상시키고, 반도체 패키지 조립 공정에 있어서의 높은 수율을 기대할 수 있어 생산성 향상을 도모할 수 있다.

Claims (4)

1. 반도체 리드 프레임을 이루고 있는 금속 소재의 기판과; 상기 기판위에 형성된 Ni-X 조성 합금 도금층; 및 상기 Ni-X 조성 합금 도금층 위에 형성된 Pd 도금층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 도금층을 구비한 반도체 리드 프레임.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 기판은 Cu, Cu 합금, Ni 합금 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다층 구조의 도금층을 구비한 반도체 리드 프레임.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 Ni-X 조성 합금은 Ni을 주성분으로 하고 P 나 B 중 어느 하나가 첨가되는 것을 특징으로 하는 다층 구조의 도금층을 구비한 반도체 리드 프레임.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 Ni-X 조성 합금 도금층과 Pd 도금층 사이에 Pd 스트라이크 도금층을 더 부가한 것을 특징으로 하는 다층 구조의 도금층을 구비한 반도체 리드 프레임.

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