KR100253260B1 - Heat dissipating plate for use in semiconductor package and semiconductor package process using the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A heat dissipating plate for a semiconductor package and an associated process are provided to improve reliability of the package by securing an insulating property of the heat dissipating plate and preventing a crack in the package. CONSTITUTION: The heat dissipating plate such as a heat spreader or a heat sink(31) is made by a die casting method instead of a conventional stamping method. Aluminum, copper, or alloys thereof are used for the heat dissipating plate. A surface of the heat dissipating plate is oxidized to have a nonconducting property. Next, the heat dissipating plate is provided in a mold die, and a lead frame(32) on which a chip(34) is attached and wire-bonded is mounted closely thereto. Then, mold compound is injected into the mold die and thereby the package is molded. When the heat sink(31) is used as the heat dissipating plate, a lower surface of the heat sink(31) is exposed to a bottom of the package.

Description

반도체 패키지용 방열판 및 이를 이용한 반도체 패키지 공정Heat sink for semiconductor package and semiconductor package process using same

반도체 패키지용 방열판 및 이를 이용한 반도체 패키지 공정에 관한 것으로서, 특히 절연성이 우수하고 반도체 패키지에 사용되었을 때 반도체 패키지의 균열이나 팝콘(popcorn) 현상을 방지할 수 있는 반도체 패키지용 방열판 및 이를 이용한 반도체 패키지 공정에 관한 것이다.The present invention relates to a heat sink for a semiconductor package and a semiconductor package process using the same. In particular, a heat sink for a semiconductor package and a semiconductor package process using the same, which have excellent insulation and can prevent cracking or popcorn of a semiconductor package when used in a semiconductor package. It is about.

최근에 반도체 장치의 고집적화에 따라, 반도체 패키지 공정은 반도체 장치의 성능, 신뢰성, 제조원가 등에 중대한 영향을 미치는 요인으로 작용하게 되어 큰 주목을 받고 있다. 반도체 패키지 공정에 있어서 중요하게 고려되는 사항 가운데 하나는 반도체 장치의 동작중 발생하는 열을 방출시키는 히트 싱크(heat sink), 히트 스프레더(heat spreader) 등과 같은 방열 구조에 관한 것이다. 이러한 동작 열은 반도체 장치의 최소 선폭이 초미세화되고 집적도가 증가할수록, 특히 전력용 스위칭소자에서 매우 심각한 문제를 야기시키고 있다.Recently, with the high integration of semiconductor devices, the semiconductor package process has attracted great attention as it has a significant influence on performance, reliability, manufacturing cost, and the like of semiconductor devices. One of the important considerations in the semiconductor package process relates to a heat dissipation structure such as a heat sink, a heat spreader, and the like, which dissipates heat generated during operation of the semiconductor device. This heat of operation causes a very serious problem as the minimum line width of the semiconductor device becomes extremely fine and the degree of integration increases, especially in power switching devices.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 새로운 형태의 패키지 구조들, 예컨대 암코/아남 사의 파워 쿼드(Power Quad) II, 올린 사의 엠쿼드(MQUAD) 등과 같은 고성능 패키지 구조들이 개발되어 왔지만, 제조 원가적인 측면에서 볼 때 반도체 패키지 내부에 히트 싱크 또는 히트 스프레더와 같은 방열판을 삽입하여 반도체 칩의 동작열을 외부로 쉽게 방출할 수 있는 반도체 패키지 구조가 선호되고 있는 추세이다. 이러한 방열판은 반도체칩 혹은 다이(die)로부터 발생하는 열을 흡수하여 반도체 패키지 외부로 방출함으로써 반도체 장치의 성능 저하 또는 고장을 방지하는 역활을 한다.To solve this problem, new types of package structures have been developed, such as Amco / Anam's Power Quad II and Olin's MQUAD, but in terms of manufacturing cost. BACKGROUND OF THE INVENTION A semiconductor package structure in which a heat sink such as a heat sink or a heat spreader is inserted into a semiconductor package to easily dissipate heat of a semiconductor chip to the outside is a preferred trend. The heat sink absorbs heat generated from the semiconductor chip or the die and releases the heat to the outside of the semiconductor package, thereby preventing degradation of the performance of the semiconductor device or failure.

반도체 패키지 공정에 사용되는 방열판은 주로 알루미늄 재료를 사용하여 제조된다. 알루미늄 재료는 낮은 가격, 높은 열전도도, 저밀도, 양극 산화의 용이성 등 많은 장점을 갖고 있기 때문에 선호되어 왔다. 또한, 알루미늄 재료는 연성이 풍부하기 때문에 스탬핑 공정을 통해 쉽게 방열판의 형태로 가공될 수 있는 특성도 갖추고 있다. 그러나, 도1에 도시된 바와 같이, 알루미늄 재료를 사용하여 스탬핑 공정으로 제조된 종래의 반도체 패키지용 방열판(10)은 그 에지 영역에 날카롭게 튀어나온 "버어(burr)"(11)가 다수 형성되는데, 이것은 스탬핑 공정의 특성상 피할 수 없는 결점으로 지적되고 있다.Heat sinks used in semiconductor package processes are mainly manufactured using aluminum materials. Aluminum materials have been preferred because of their many advantages, such as low cost, high thermal conductivity, low density, and ease of anodic oxidation. In addition, since aluminum material is rich in ductility, the aluminum material may be easily processed into a heat sink through a stamping process. However, as shown in FIG. 1, the heat sink 10 for a semiconductor package manufactured by a stamping process using an aluminum material is formed with a large number of "burrs" 11 protruding sharply in the edge region thereof. This is pointed out as an inevitable drawback due to the nature of the stamping process.

상기한 바와 같이 스탬핑 공정을 통해 제조된 방열판(10)에 다수의 버어(11)가 형성되는 경우, 방열판을 절연체로 만들기 위한 표면 양극 산화 공정에서 버어(11)의 날카로운 선단부 표면이 산화되기 어렵기 때문에, 도2에 도시된 바와 같이, 방열판(10)과 리드 프레임(12)이 단락되는 현상이 일어나는 한편, 패키지 내부에 스트레스가 발생하여 후속의 어셈블리 공정이나 또는 반도체 칩을 인쇄 회로 기판(PCB) 상에 실장하는 칩 마운팅 공정시 패키지가 균열되거나 팝콘 현상이 발생하여 반도체 패키지의 신뢰성에 치명적인 영향을 미친다.When a plurality of burrs 11 are formed on the heat sink 10 manufactured through the stamping process as described above, the surface of the sharp tip of the burr 11 is hard to be oxidized in the surface anodization process for making the heat sink an insulator. Therefore, as shown in FIG. 2, while the heat sink 10 and the lead frame 12 are short-circuited, a stress is generated inside the package, and a subsequent assembly process or a semiconductor chip is printed on the printed circuit board (PCB). In the chip mounting process mounted on the chip, the package is cracked or popcorn occurs, which has a critical effect on the reliability of the semiconductor package.

더우기, 설계적인 측면에서 볼 때, 스탬핑 공정으로 인해 방열판 자체의 내부 스트레스(internal stress)가 크게 증가하여 온도 변화나 고습도에서 반도체 패키지 내부에 쉽게 패키지 균열이 발생함으로써 반도체 패키지의 신뢰성 문제를 야기시킬 수 있다. 또한, 스탬핑 공정은 그 특성상 복잡한 구조를 형성하기 어렵기 때문에 원하는 방열판 구조를 얻기 어려운 문제점이 있다.Moreover, from a design point of view, the stamping process greatly increases the internal stress of the heat sink itself, which can easily cause package cracks inside the semiconductor package at temperature changes or high humidity, which can lead to reliability problems of the semiconductor package. have. In addition, the stamping process has a problem in that it is difficult to obtain a desired heat sink structure because it is difficult to form a complicated structure due to its characteristics.

본 발명의 목적은 상기한 바의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 방열판과 리드 프레임 사이의 절연성을 확보하고 반도체 패키지의 균열을 방지하기 위해 방열판의 에지 영역에 버어가 형성되는 것을 방지할 수 있는 반도체 패키지용 방열판 제조 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to solve the above problems, a semiconductor package that can prevent the formation of burrs in the edge region of the heat sink to ensure insulation between the heat sink and the lead frame and to prevent cracking of the semiconductor package. The present invention provides a method for manufacturing a heat sink.

본 발명의 다른 목적은 방열판과 리드 프레임 사이의 절연성을 확보하고 반도체 패키지의 균열을 방지하여 반도체 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 반도체 패키지 공정을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a semiconductor package process that can ensure the insulation between the heat sink and the lead frame and prevent cracking of the semiconductor package to improve the reliability of the semiconductor package.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 패키지용 방열판 제조 방법은, 소정의 형상을 갖는 방열판 다이를 형성하고 상기 다이 안으로 용융된 방열판 재료를 고압으로 주입하여 방열판을 사출 성형하는 다이 캐스팅 공정으로 이루어짐을 특징으로 한다.The method for manufacturing a heat sink for a semiconductor package of the present invention for achieving the above object is formed by a die casting process of forming a heat sink die having a predetermined shape and injection molding the heat sink by injecting the heat sink material melted into the die at a high pressure. It features.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 반도체 패키지 공정은, 방열판을 포함하는 반도체 패키지를 제조하기 위한 반도체 패키지 공정에 있어서, 다이 캐스팅 공정으로 사출 성형된 방열판을 몰드 다이 안에 삽입하는 단계, 상기 방열판 상부에 와이어 본딩된 칩이 부착된 리드 프레임을 장착하는 단계, 및 상기 몰드 다이안에 몰드 콤파운드를 주입하여 몰딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The semiconductor package process of the present invention for achieving the above another object, in the semiconductor package process for manufacturing a semiconductor package including a heat sink, the step of inserting the heat-sink injection-molded by the die casting process into a mold die, the heat sink top And mounting a lead frame to which a wire bonded chip is attached, and injecting and molding a mold compound into the mold die.

상기 다이캐스팅 공정은 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리 구리합금 등을 사용하여 약 5-2000톤의 압력으로 실시된다.The die casting process is carried out at a pressure of about 5-2000 tons using aluminum, aluminum alloy, copper copper alloy and the like.

도1은 종래의 반도체 패키지용 스탬핑 방열판의 형상의 단면도.1 is a cross-sectional view of the shape of a stamping heat sink for a conventional semiconductor package.

도2는 도1의 종래의 방열판을 사용한 반도체 패키지의 내부에서 발생하는 방열판과 리드 프레임 사이의 단락 현상 및 반도체 패키지의 균열 현상을 설명하기 위한 도면.FIG. 2 is a view for explaining a short circuit phenomenon between a heat sink and a lead frame and a crack phenomenon of the semiconductor package generated inside the semiconductor package using the conventional heat sink of FIG.

도3a 및 도3b는 각각 본 발명의 방열판 제조 방법에 따라 제조된 히트 스프레더 및 히트 싱크의 형상을 나타내는 도면.3A and 3B are views showing the shapes of a heat spreader and a heat sink manufactured according to the heat sink manufacturing method of the present invention, respectively.

도4a 및 도4b는 본 발명의 방열판 제조 방법에 따라 제조된 도3의 히트 스프레더 및 히트 싱크를 각각 사용하여 제조된 반도체 패키지의 구조를 나타내는 도면.4A and 4B show the structure of a semiconductor package manufactured using the heat spreader and heat sink of FIG. 3 manufactured according to the heat sink manufacturing method of the present invention, respectively.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

10 : 방열판 11 : 버어10: heat sink 11: burr

12,13 : 리드 프레임 14,34 : 반도체 칩12,13: lead frame 14,34: semiconductor chip

16,36 : 접착제 18,38 : 와이어16,36: adhesive 18,38: wire

20,40 : 몰드 콤파운드 30 : 히트 스프레더20,40: mold compound 30: heat spreader

31 : 히트 싱크31: heatsink

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention.

도3a 및 3b를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 반도체 패키지용 히트 스프레더(30) 및 히트 싱크(31)는 그 에지 영역에 버어가 형성되지 않은 매끈한 구조를 갖고 있다. 이러한 본 발명의 히트 스프레더(30) 및 히트 싱크(31)는 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리합금 등을 사용하여 통상의 다이 캐스팅 공정으로 사출 성형된다. 종래 방열판의 제조에 사용되는 스탬핑 공정은 재료의 강도 내지 경도를 이용하기 때문에 연성이 큰 재료를 사용하기 어렵고 연성이 큰 재료를 사용하여 방열판을 제조하는 경우 상기한 바의 버어와 같은 결함이 발생하는 반면, 본 발명에서 사용되는 다이 캐스팅 공정은 재료의 용융성을 이용하는 공정이기 때문에 연성이 큰 재료를 사용하여 방열판을 제조하는 경우에도 방열판의 에지 영역에 버어와 같은 결함이 발생하지 않게 된다. 따라서, 본 발명에 따르면 우수한 열 전도성을 가진 각종 금속 재료를 사용하여 방열판 제조하는 것이 가능하게 된다.3A and 3B, the heat spreader 30 and the heat sink 31 for a semiconductor package manufactured according to the present invention have a smooth structure in which no burr is formed in the edge region thereof. The heat spreader 30 and the heat sink 31 of the present invention are injection molded in a conventional die casting process using aluminum, aluminum alloy, copper, copper alloy and the like. Since the stamping process used in the manufacture of a heat sink in the prior art uses the strength or hardness of the material, it is difficult to use a material having a large ductility, and a defect such as burrs as described above occurs when the heat sink is manufactured using a material having a large ductility. On the other hand, since the die casting process used in the present invention is a process using the meltability of the material, even if the heat sink is manufactured using a ductile material, defects such as burrs do not occur in the edge region of the heat sink. Therefore, according to the present invention, it is possible to manufacture a heat sink using various metal materials having excellent thermal conductivity.

본 발명에 따라, 방열판을 사출 성형하는 다이 캐스팅 공정은 먼저 원하는 방열판의 형상에 대응하는 몰드 다이를 제작한 후, 열전도성이 우수한 방열판 재료, 즉 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리 또는 구리합금 등의 괴를 용광로에서 융점 이상으로 가열하여 용융시키고 그 용융된 재료를 상기 몰드 다이 안으로 약 5-2000톤 정도의 고압으로 고속 분사함으로써 이루어진다. 이와 같은 방법으로 제조되는 본 발명의 반도체 패키지용 히트 스프레더(30) 및 히트 싱크(31)는, 전단력이 크게 작용하여 방열판 내부에 전단 스트레스 등의 내부 결함을 유발하는 스탬핑 공정과는 달리, 구성이 치밀하고 형상이 매끄러우며 복잡한 구조가 가능하여 많은 장점을 갖게 된다.According to the present invention, a die casting process of injection molding a heat sink is performed by first producing a mold die corresponding to the shape of a desired heat sink, and then ingot of a heat sink material having excellent thermal conductivity, that is, aluminum, aluminum alloy, copper, or copper alloy. Heating by melting above the melting point in the furnace and melting the molten material into the mold die at high speed of about 5-2000 tons at high pressure. The heat spreader 30 and the heat sink 31 for a semiconductor package of the present invention manufactured by the above-described method are different from the stamping process in which the shearing force acts greatly to cause internal defects such as shear stress in the heat sink. It is compact, smooth in shape, and complex in structure, which has many advantages.

도4a 및 도4b에 도시된 바와 같이, 히트 스프레더(30)는 리드 프레임(32)에 접촉되어 그로부터 열을 흡수하여 이 열을 외부로 분산하는 역활을 하며, 히트 싱크(31)는 리드 프레임으로부터 열을 흡수하여 외부로 방출하는 역활을 하는데, 다수의 리드들(32)에 공통으로 접촉되어 있기 때문에 방열판이 도전성을 갖게 되는 경우 리드들(32) 간에 단락 현상이 발생하여 반도체 장치가 오동작하게 되므로, 방열판(30)은 양극 산화 등과 같은 방식으로 표면이 산화되어 부도체가 되어야 한다. 이러한 점에서, 본 발명에 따른 히트 스프레더(30) 및 히트 싱크(31)는 그 표면이 매끄럽기 때문에 양극 산화 공정으로 표면이 균일하게 산화되어 양질의 부도체를 형성하게 됨으로써 상기한 바의 리드들(32) 간의 단락 문제를 유발하지 않게 된다.As shown in Figs. 4A and 4B, the heat spreader 30 is in contact with and absorbs heat from the lead frame 32 to disperse this heat to the outside, and the heat sink 31 is removed from the lead frame. It absorbs heat and releases it to the outside. When the heat sink becomes conductive because it is in common contact with the plurality of leads 32, a short circuit occurs between the leads 32, and the semiconductor device malfunctions. In addition, the heat sink 30 should be oxidized to form a non-conductor in the same manner as anodization. In this regard, since the surfaces of the heat spreader 30 and the heat sink 31 according to the present invention are smooth, the surfaces of the heat spreader 30 and the heat sink 31 are uniformly oxidized by the anodic oxidation process to form a high quality non-conductor. 32) will not cause short circuit problems.

도4a 및 도4b를 참조하면, 다이 캐스팅으로 사출 성형된 방열판은 버어가 전혀 없으므로 리드 프레임과 방열판을 밀착시키는 것이 가능하게 되어 방열판의 열방출 효율을 향상시킬 수 있기 때문에 반도체 장치의 오동작을 최대한 줄일 수 있다. 이때, 히트 스프레더(30)는 몰드 콤파운드 내부에 위치하도록, 히트 싱크(31)는 방열판(30)의 하부면이 노출되도록 몰딩 공정이 이루어진다. 따라서, 히트 싱크(31)는 외부로 노출되기 때문에 몰드 콤파운드와의 결합성을 증가시킬 필요가 있으므로, 히트 스프레더(30)에 비해 더욱 복잡한 구조를 가져야 하는데, 본 발명의 다이 캐스팅 공정을 이용한 방열판 제조 방법에 따르면, 다이 캐스팅 공정의 특성상 복잡한 구조의 히트 싱크를 제조하는 것이 가능하게 된다.4A and 4B, since the heat injection plate injection-molded by die casting has no burr, it is possible to closely contact the lead frame and the heat sink, thereby improving heat dissipation efficiency of the heat sink, thereby minimizing malfunction of the semiconductor device. Can be. In this case, a molding process is performed such that the heat spreader 30 is located inside the mold compound, and the heat sink 31 is exposed to expose the bottom surface of the heat sink 30. Therefore, since the heat sink 31 needs to increase the bondability with the mold compound because it is exposed to the outside, the heat sink 31 should have a more complicated structure than the heat spreader 30. The heat sink is manufactured using the die casting process of the present invention. According to the method, it becomes possible to manufacture a heat sink having a complicated structure due to the nature of the die casting process.

본 발명에 따르면, 다이 캐스팅 공정에 의해 버어가 없고 내부 스트레스가 적으며 절연성이 우수한 반도체 패키지용 방열판을 형성함으로써 반도체 패키지에서 절연성을 확보하여 리드들 간의 단락 현상을 방지할 수 있고, 반도체 패키지의 균열을 방지할 수 있으며, 반도체 패키지의 동작열을 효과적으로 방출하여 반도체 패키지의 동작 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 다이 캐스팅 공정을 사용함으로써 방열판 구조의 설계적인 제한이 감소되어 원하는 다양한 구조의 방열판을 제조하는 것이 가능하게 된다.According to the present invention, by forming a heat-dissipating plate for semiconductor package that has no burr, low internal stress, and excellent insulation by the die casting process, it is possible to secure insulation in the semiconductor package and to prevent short circuits between leads, and cracks in the semiconductor package. Can be prevented, and the heat of the semiconductor package can be effectively released to improve the operating characteristics and the reliability of the semiconductor package. In addition, the use of a die casting process reduces the design limitations of the heat sink structure, making it possible to manufacture heat sinks of various desired structures.

Claims (4)

(정정) 방열판을 포함하는 반도체 패키지를 제조하는 방법에 있어서, 소정의 형상을 갖는 방열판 다이를 형성하는 단계; 상기 방열판 다이 안으로 용융된 방열판 재료를 소정의 압력으로 주입하여 방열판을 사출 성형하는 단계 ; 상기 사출 성형된 방열판의 표면을 산화시켜 부도체를 만드는 단계 ; 상기 표면이 부도체로 된 방열판을 몰드 다이 안에 삽입하는 단계 ; 상기 방열판 상부에 와이어 본딩된 칩이 부착된 리드 프레임을 밀착되게 장착하는 단계 ; 및 상기 몰드 다이 안에 몰드 콤파운드를 주입하여 몰딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 제조 방법.(Correction) A method of manufacturing a semiconductor package comprising a heat sink, comprising: forming a heat sink die having a predetermined shape; Injection molding the heat sink by injecting the heat sink material melted into the heat sink die at a predetermined pressure; Oxidizing a surface of the injection-molded heat sink to form an insulator; Inserting a heat sink having the non-conductive surface into a mold die; Mounting a lead frame to which the wire bonded chip is attached on the heat sink; And molding a compound by injecting a mold compound into the mold die. (정정) 제1항에 있어서, 상기 방열판 재료는 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리 또는구리 합금인 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 제조 방법.(Correction) The semiconductor package manufacturing method according to claim 1, wherein the heat sink material is aluminum, aluminum alloy, copper or copper alloy. (정정) 제1항에 있어서, 상기 압력은 5 내지 2000 톤인 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 제조 방법.(Correction) The semiconductor package manufacturing method according to claim 1, wherein the pressure is 5 to 2000 tons. (정정) 제1항에 있어서, 상기 몰딩 단계는 상기 방열판의 하부면이 노출되도록 몰드 콤파운드를 주입하여 몰딩하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반조체 패키지 제조 방법.(Correction) The method of claim 1, wherein the molding step further comprises the step of molding by injecting a mold compound to expose the lower surface of the heat sink.
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