KR20000062856A - 반도체 장치용 리드 프레임과 제조 방법 - Google Patents

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텔캄프존피.
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윌리엄 비. 켐플러
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Abstract

집적 회로 칩에 사용하기 위한 리드 프레임은 아연 표면 층을 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 리드 프레임 기부, 알루미늄 및 아연이 조합되도록 적층된 상기 아연 층 상의 제1 니켈 층, 상기 제1 니켈 층 상의 니켈과 귀금속의 합금 층, 리드의 굽힘 및 납땜 부착에 적합하도록 적층된 상기 합금 층 상의 제2 니켈 층, 및 최외곽 귀금속 층을 포함하여, 상기 리드 프레임이 방식, 와이어 접합 및 다른 부품에 대한 납땜 부착에 적합하다.

Description

반도체 장치용 리드 프레임과 제조 방법{ALUMINUM LEADFRAMES FOR SEMICONDUCTOR DEVICES AND METHOD OF FABRICATION}
본 발명은 반도체 장치 및 공정 분야에 관한 것이고, 특히 집적 회로 장치를 위한 리드 프레임(leadframe)의 재료 및 제조에 관한 것이다.
반도체 장치용 리드 프레임은 반도체 장치 및 반도체 장치들의 작동에 동시에 요구되는 몇 가지 필요 조건을 만족시키도록 고안되었다(미국 특허 제3,716,764호 및 제4,034,027호). 첫째, 리드 프레임은 통상 집적 회로(IC) 칩(chip)인 반도체 칩을 확고히 위치시키도록 안정적인 지지 패드를 제공한다. 패드를 포함하는 리드 프레임은 전기 전도성 재료로 제조되기 때문에, 필요한 경우 패드는 반도체 장치를 포함하는 네트워크에 의해 요구되는 소정의 전기 전위, 특히 접지 전위로 바이어스(bias)될 수 있다.
둘째, 리드 프레임은 각종 전도체들을 칩에 매우 근접하게 위치시키도록 복수개의 전도성 세그먼트를 제공한다. 세그먼트의 (내부) 팁과 IC 표면 상의 도체 패드 사이의 잔여 간극은 통상 IC 접촉 패드와 리드 프레임 세그먼트에 개별적으로 접합된 얇은 금속 와이어에 의해 브리징된다. 명확하게는, 와이어 접합 기술(wire bonding)은 (내부) 세그먼트 팁에 신뢰성 있는 용접부가 형성될 수 있다는 것을 의미한다.
셋째, IC 칩으로부터 멀리 있는 선단 세그먼트의 단부("외부"팁)는, "외부 부품"또는 "외부 공간", 예컨대 인쇄 회로 기판 조립체에 전기적 및 기계적으로 연결되는 것이 필요하다. 대부분의 전자 장치에서, 이러한 부착은 납땜에 의해 수행된다. 명확하게는, 납땜 기술은 (외부) 세그먼트 팁에서 신뢰성 있는 습윤성 및 납땜 접촉이 수행될 수 있다는 것을 의미한다.
단일편 리드 프레임은 통상 금속 박판(약 120 내지 250 ㎛)으로부터 제조되어 왔다. 제작이 용이하기 때문에, 통상 구리, 구리 합금, 철-니켈 합금, 및 불변강(invar) 등이 출발 금속으로 선택된다. 철-니켈 합금(예를 들면, 소위 "합금강 42")으로 제조된 리드 프레임은 구리 리드 프레임에 비해 약 6배정도 고가이다. 요구되는 리드 프레임의 형상은 최초 박판으로부터 에칭 또는 스탬핑된다. 이러한 방식으로, 리드 프레임의 개개의 세그먼트는 설계의 의해 결정된 특정한 기하학적 형상을 갖는 얇은 금속 스트립의 형태를 취한다. 대부분의 목적을 위해, 전형적인 세그먼트의 길이는 세그먼트의 폭보다 상당히 길다.
반도체 제조에 있어서 비용 감소에 대한 압박은 구리와 합금강 42 리드 프레임 기부 금속을 저가의 재료로 대체하기 위한 조사를 유발시켰다. 알루미늄을 선택한 초기의 제안은 안정적으로 편재되어 있고 거의 순간적인 알루미늄 산화물이 나타나는 문제점을 해결할 수 없었다. 1976년 1월 13일자로 허여된 미국 특허 제3,932,685호(플라워스, "알루미늄 안정화 공정 및 이를 위한 안정화 용액")에는, 반도체 장치 조립 중 와이어 접합을 위한 알루미늄 리드 프레임을 준비하는 공정이 개시되어 있다. 그러나, 납땜 부착을 위한 알루미늄 리드 프레임 준비에 대한 어려운 문제점에 대해서는 언급되어 있지 않다.
1986년 8월 5일자로 허여된 미국 특허 제4,604,169호(쉬가 등, "스테인레스강을 금속 도금하기 위한 공정")에 개시된 스테인레스강을 위한 도금 공정은 알루미늄과 이의 두꺼운 산화물 층에 대해서는 적용되지 않는다. 은도금 층은 반도체 제품에는 바람직하지 않다(쉬가 등, 발명의 명칭이 "은도금된 전기 복합 재료"이고 1985년 7월 16일자로 허여된 미국 특허 제4,529,667호). 1986년 7월 22일자로 허여된 미국 특허 제4,601,958호(레빈, "도금 부품과 그 생산")와 1989년 5월 30일자로 허여된 미국 특허 제4,835,067호(레빈, "내식성 전기도금 공정 및 도금품")는, 제안된 보호 층이 알루미늄에는 접착되지 않기 때문에, 알루미늄에 적용될 수 없고, 상기 특허들의 철계 합금[합금강 42 및 코바르(kovar)]은 고가의 리드 프레임 재료이다. 1986년 8월 5일자로 허여된 미국 특허 제4,604,291호(휴앙 등, "알루미늄 코팅된 리드 프레임의 제조 방법")에 개시된 알루미늄 코팅된 리드 프레임을 생산하는 방법은 고진공을 요구하고, 따라서 대량 생산에는 실용적이지 않고, 또한 납땜 부착의 문제점에 대해서는 언급되어 있지 않다.
1998년 8월 18일자로 허여된 미국 특허 제5,795,619호[린 등, "무전해 적층과 딥 납땜(Dip solder)과 합체된 땜납 범프 제조 방법]에 개시된 실리콘 칩의 알루미늄 패드 상의 땜납 범프(bump)를 제조하는 방법은 아연 치환 용액(zinc displacement solution)을 사용하여 알루미늄 상에 아연 층을 형성하는 공정으로 시작되는 공정 순서를 사용한다. 니켈 및 구리를 함유하는 수인산 나트륨(sodiumhydrophosphate) 용액에 연속적으로 침지시킴으로써 아연 층 상에 니켈-구리-인산 층을 생성한다. 플럭스(flux)를 사용하면, 땜납 조(solder bath) 내부로의 연속적인 침지는 실리콘 칩 상에 땜납 범프를 위한 땜납 합금을 형성한다. 상기 방법에 의해 생산된 니켈 층은 (74 중량% 구리까지의) 풍부한 구리 함량과 취성을 갖는다. 만약 상기 층이 리드 프레임에 적용된다면, 이는 리드 프레임이 납땜에 의해 인쇄 회로 기판에 부착되기 전에 리드를 굽힘 및 성형하는 공정 단계를 요구하기 때문에 적절하지 않다. 이러한 성형 단계는 연성 리드를 필요로 한다. 또한, 전술된 기술이 리드 프레임에 적용된다면, 리드를 부식으로부터 보호하지 못하며, 또한 금속 대 플라스틱 간의 접착, 낮은 기계적 응력 및 부식에 대한 보호가 요구되는 경우에 리드 프레임이 성형 합성물 내에 캡슐화된 반도체 제품용으로는 추천될 수 없다.
그러므로, 알루미늄 기부, 연성 리드 및 동시에 납땜 및 접합되는 표면을 갖는 리드 프레임을 위해 저비용 및 신뢰성 있는 대량 생산 방법에 대한 긴급한 필요가 발생하였다. 리드 프레임과 그 제조 방법은 서로 다른 반도체 제품군과 넓은 설계 범위 및 조립 가변성을 위해 신축적으로 적용될 수 있어야 하고 향상된 공정 확보와 장치 신뢰성의 목표를 향한 개선이 이루어져야 한다. 바람직하게는, 이러한 개선은 새로운 제조 기계들에 대한 투자가 필요없도록 기존의 장치를 사용하여 달성되어야 한다.
반도체 집적 회로(IC) 리드 프레임을 위한 본 발명에 따르면, 알루미늄 및 알루미늄 합금이 출발 재료로서 역할하고, 이어서 (알루미늄과 니켈에 대한 접착을 제공하는) 아연, (전기도금법으로부터 아연산염을 보호하는) 무전해 니켈, (부식을 방지하는) 선택적인 니켈 합금, (연성과 납땜성을 제공하는) 전기도금된 니켈, 및 (산화물로부터 니켈 표면을 보호하는) 최외곽의 귀금속으로 구성되는 일련의 층들이 적층된다.
본 발명은 고밀도 IC, 특히 많은 입/출력부 또는 접촉 패드를 갖는 IC, 및 인쇄 회로 기판 조립체 내에 표면 장착되는 패키지 내의 장치에 관한 것이다. 이러한 IC들은 표준 선형 및 논리 제품, 프로세서, 디지털과 아날로그 장치, 고주파수 및 고출력 장치, 및 대형과 소형 칩 범주 등의 많은 반도체 장치군에서 찾아볼 수 있다. 본 발명은 종래의 구리 또는 철-니켈 합금 리드 프레임에 비해 비용이 상당히 감소한 반도체 패키지, 특히 플라스틱 성형 패키지를 제공한다.
본 발명의 일 태양은 높은 제조 비용을 요구하지 않고 연성과 납땜성 모두를 제공하도록 알루미늄 기부 리드 프레임의 표면을 변화시키기 위한 기술을 제공하는 것이다. 상기 태양은 릴(reel) 단위의 제조에 기초를 둔 대량 생산 공정에 의해 달성된다.
본 발명의 다른 태양은 장치 변경에 따른 비용과 새로운 자본 투자 없이, 기존의 제조 장치를 사용하여 상기 목표를 달성하는 것이다.
본 발명의 다른 태양은 플럭스 없이 (또는 세척 단계를 필요로 하지 않는 매우 연성인 플럭스만으로) 패키지 리드와 납땜 부착되는 리드부의 굽힘에 기초한 성공적인 표면 장착 기술이 연속될 수 있도록 알루미늄 리드 프레임을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 태양은 미세 피치 접합(fine ptich bonding)에 의해 한정된 조건 하에서의 용이한 접합 성능을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 태양은 플라스틱 패키지에 사용되는 성형 합성물에 대한 양호한 접착성을 나타내어서 습기 유입과 부식을 방지하도록 리드 프레임을 제공하고, 또한 리드의 부식을 방지하는 것이다.
상기 태양들은 대량 생산에 적합한 재료 선택과 방법에 관련된 본 발명에 의해 달성되었다. 각종 변경이 성공적으로 사용되었다.
본 발명의 제1 실시예에서, 알루미늄 리드 프레임은 무전해 니켈과 전기도금된 니켈 층들이 결합하는 니켈과 귀금속 사이에서 개재하는 합금층으로 생산된다.
본 발명의 제2 실시예에서, 알루미늄 리드 프레임은 상기 개재 층 없이 생산된다.
본 발명에 의해 제공된 진보된 기술뿐만 아니라 본 발명의 태양들은 첨부 도면 및 첨부된 특허청구범위에 기술된 신규한 특징과 관련하여 본 발명의 양호한 실시예에 대한 이하의 설명으로부터 명확해질 것이다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 일련의 적층된 층과 알루미늄으로 제조된 리드 프레임의 일부분을 도시하는 개략 단면도.
도2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 일련의 적층된 층과 알루미늄으로 제조된 리드 프레임의 개략 단면도.
도3은 기판 상에 납땜 조립된, 본 발명에 따른 리드 프레임을 갖는 반도체 장치 패키지의 개략적이고 단순화된 단면도.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
100 : 리드 프레임
101 : 알루미늄 합금 기부
102 : 아연층
103, 105 : 니켈 층
107 : 귀금속 층
300 : 반도체 패키지
301 : 리드 프레임
302 : 장착 패드
303 : 칩
305 : 리드 세그먼트
306 : 알루미늄 합금 기부
307 : 아연층
308 : 니켈 층
309 : 귀금속 층
310 : 접합 와이어
본 발명은 리드 프레임 상의 반도체 IC의 조립체, 리드 프레임의 기부 재료 및 반도체 조립에 대한 요구 조건에 적합하도록 리드 프레임을 제조하는 공정에 관한 것이다. 최근 기술에서, 반도체의 리드 프레임은 구리 합금 또는 철-니켈 합금으로 제조된다. 이들 재료들은 (고가이고) 밀도가 높다. 예컨대, 구리는 120×103N/mm2의 영 계수(Young's modulus)와 함께 9.1 g/cm3의 밀도, 및 17.6 ppm/℃의 열팽창률(thermal expansion rate)을 갖는다. 이러한 특성은 2가지 문제점의 원인이 된다.
* 리드 프레임 기부 금속의 고질량과 고비용
* 실리콘 칩 상의 높은 열응력 수준(thermomechanical stress level)과 기판에 부착되는 납땜 접합부 상의 높은 열응력 수준
본 발명은 반도체 리드 프레임의 기부 재료로서 구리 대신 알루미늄의 장점을 취함으로써 이러한 문제점을 최소화한다. 표1은 구리의 중요한 특성을 종합하여 알루미늄의 특성과 비교한다.
표1
특성 구리 합금 알루미늄 합금
(CDA-194) (AA2014-T6)
밀도 (g/cm3) 9.1 2.8
원료 가격 ($/kg) 1.65 1.32
영 계수 ×103(N/mm2) 120 72.5
최대 인장 강도(N/mm2) 550 410
열전도성 (calcm/cm2s℃) 0.625 0.542
열팽창 계수 (ppm/℃) 17.6 24.7
갈바닉 전위 (V) +0.52 -0.40
표1에 나타난 바와 같이, 밀도와 가격은 장점으로 들 수 있고, 알루미늄의 낮은 영 계수는 열응력에 대한 높은 열 팽창 계수를 상쇄할 것이다. 구리와 알루미늄의 특성을 비교한 표1은 알루미늄 합금이 구리 합금과 효과적으로 경쟁할 수 있을 뿐만 아니라, 확실한 장점, 특히 (원료, 중량, 가단성 등에 대한) 비용에 관해 장점을 갖는다는 것을 보여준다. 개략적으로, 알루미늄은 구리 밀도의 1/3이고, 리드 프레임 기부 재료의 비용과 질량(중량)을 감소시킬 것이다. 열팽창 계수와 영 계수의 곱이 구리 합금의 열팽창 계수와 영 계수의 곱보다 작기 때문에 알루미늄 합금의 응력 수준은 감소될 것이다. 알루미늄의 열전도성은 구리의 열전도성과 유사하다. 전형적인 리드 프레임의 치수 범위로 주어진다면, 알루미늄의 전기 전도성이 낮지만, 이는 얇은 접합 와이어에서의 피할 수 없는 전도성 손실과 비교하면 부수적인 역할에 지나지 않는다.
본 발명의 리드 프레임의 기부 재료는 통상 100 내지 250 ㎛ 두께인 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 박판이다. 이들 박판들은, 예컨대 미국 테네시주 잭슨 소재의 카이저 알루미늄 코퍼레이션(Kaiser Aluminum Corporation)의 "테날룸(Tennalum)"부문으로부터 구입할 수 있다. 본 발명에 의한 양호한 재료는 알루미늄과 망간의 합금(합금 명칭의 숫자가 합금 변경을 나타내는 3xxx 시리즈, 예를 들면 3004)이다. 다른 합금, 예를 들면 구리, 실리콘, 마그네슘 및 아연 등과 알루미늄의 합금으로도 제조된다. 이들 알루미늄과 알루미늄 합금 박판은 템퍼링, 어닐링 또는 변형 경화 등의 경도를 변화시키는 각종 열 이력으로 변경된다. 알루미늄과 알루미늄 합금이 제조 공정의 마지막 단계인 외부 세그먼트 형성의 요구 조건을 만족시키도록 적어도 5 내지 10 %의 연신율을 제공하는 것은 본 발명의 목적을 위해 중요하다.
알루미늄으로 제조된 리드 프레임은 구리 리드 프레임과 동일한 설계 개념을 따른다. 즉, 통상 IC 칩을 지지하기 위한 칩 패드는 칩 패드 부근의 내부 팁과 칩 패드로부터 멀리 있는 외부 팁을 갖는 세그먼트에 의해 둘러싸인다.
또한, 알루미늄 리드 프레임은 구리 리드 프레임과 유사하게 반도체 조립에 있어서 5가지 요구 조건을 만족시켜야 한다.
1) 리드 프레임은 다른 부품에 대한 납땜 부착을 위해 외부 세그먼트 팁을 구비하여야 한다.
2) 리드 프레임은 와이어에 대한 접합 부착을 위해 내부 세그먼트 팁을 구비하여야 한다.
3) 리드 프레임은 굽힘 및 성형하도록 연성인 외부 세그먼트를 구비하여야 한다.
4) 리드 프레임은 성형 합성물에 대한 접착성을 구비하여야 한다.
5) 리드 프레임은 내식성을 구비하여야 한다.
본 발명에 따르면, 필요 조건 1)은 니켈 층과 최외곽 귀금속 층을 알루미늄 표면 상에 적층함으로써 만족된다. 귀금속이 납땜 작업으로 용해되면 납땜 접합부는 기부 알루미늄이 아닌 니켈 표면에 만들어진다. 알루미늄 기부에 대한 니켈 층의 고정 접착 공정은 본 발명의 핵심 부분이다(이하 참조).
본 발명은 필요 조건 1)을 충족시키도록 사용되는 귀금속 층을 선정함으로써 필요 조건 2)를 만족시킨다.
본 발명은 필요 조건 1)을 충족시키도록 사용되는 니켈 층의 구조와 두께를 선택함으로써 필요 조건 3)을 만족시킨다. 이하에서 알 수 있는 바와 같이, 연성을 확보하도록 선택적인 합금 중간 층을 구비한 2개의 니켈 층으로의 분리가 요구되는 것은 본 발명의 중요한 부분이다.
본 발명은 필요 조건 1)을 충족시키도록 사용되는 귀금속 층을 선정함으로써 필요 조건 4)를 만족시킨다.
본 발명은 알루미늄 기부 상에 적층된 일련의 층에 의해 필요 조건 5)를 만족시킨다.
도1에서, 본 발명에 따른 리드 프레임 부분의 개략적인 단면이 도면 부호 100으로 도시되어 있다. 알루미늄 합금 기부판(101)은 100 내지 250 ㎛ 범위의 양호한 두께를 갖고, 더욱 얇은 판도 가능하다. 이러한 두께 범위에서 연성은 세그먼트의 굽힘 및 성형 작업에 필요한 5 내지 15 %의 연신율을 제공한다. 알루미늄 합금 박판은 먼저 20 내지 90℃의 알칼리성 예비세척 용액에 수초에서 3분까지 침지된다. 따라서, 오일과 다른 오염 물질은 제거된다.
세척 후, 박판은 상온의 산성 활성화 조(acid activation bath) 내에 수초에서 5분까지 침지된다. 상기 조는 바람직하게는 약 30 내지 60 g/l 농도의 질산 또는 질산/황산 용액으로 구성된다. 이러한 용액은 활성화 상태에서 알루미늄 산화물을 제거하고 금속성 알루미늄 표면을 활성화 상태로 유지하여, 금속성 아연의 적층을 수용하도록 준비된다.
아연의 적층을 위해, 활성화된 알루미늄 또는 알루미늄 합금 박판은, 미국 뉴저지주 커니 소재의 캐닝 검 컴퍼니(Canning Gumm Company)로부터 구입할 수 있는 "본달(Bondal)"용액과 같은 아연산염(zincate)에 침지된다. 아연산염은 바람직하게는 약 15 내지 50℃이고, 수초에서 약 5분간 침지되며, 별도의 노출 과정이 반복될 수 있다. 아연 층(102, 도1)은 단지 얇은 필름일 수 있지만, 알루미늄 표면을 중단 없이 덮어야 한다. 아연 층의 기능은 오직 뒤따르는 니켈 층의 알루미늄에 대한 신뢰성 있는 접착을 달성하는 것이다.
적층 용액이 아연 층을 전기 화학적으로 공격하지 않도록 제1 니켈 층(103)이 적층되는 것이 필수적이다. 결과적으로, 제1 니켈 층은 무전해으로 적층되어야 하고, (제어가 용이하고 균일한) 전기도금 과정을 사용하는 것은 아연 층에 손상을 입힐 수 있다. 전형적으로, 상기 용액은 -25 내지 +60℃이고, 적층은 약 1 내지 10분간 지속된다. 무전해 니켈 층의 두께(103a)는 바람직하게는 125 내지 750 ㎚이지만, 임계값은 아니다. 이와 다르게, 알칼리성 전기-니켈 공정이 사용될 수도 있다.
도1에 도시된 본 발명의 실시예에서, 니켈 층 다음으로 적층되는 층(104)은 팔라듐(palladium), 로듐(rhodium), 금, 은 및 백금으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 귀금속과 니켈의 합금이다. 합금 층은 전기도금에 의해 약 25 내지 75 ㎚ 두께로 적층된다. 상기 합금 층의 주 목적이 부식 방지이기 때문에 상기 합금 층은 밀착되어야 한다. 니켈-백금계 합금 층은 1995년 6월 14일자로 허여된 유럽 특허 제0335608B1호(어보트, "부식이 감소된 리드 프레임")에 개시되어 있다.
바람직하게는 0.5 내지 3 ㎛의 두께(105a)로 적층된 전기도금된 니켈은 중요한 층(105)이다. 이러한 니켈 층은 리드 프레임 세그먼트의 굽힘 및 성형 공정에서 가단적이도록 연성이어야 한다. 또한, 니켈 표면은 납땜 합금 또는 전도성 접착제가 효과적으로 사용될 수 있도록 납땜 공정에서 습윤성이 있어야 한다.
2개의 니켈 층과 얇은 니켈 합금 층의 전체 두께(106)는 650 내지 4000 ㎚ 범위이다.
도1의 실시예의 최외곽 층은 팔라듐, 로듐, 금 및 은으로 구성된 그룹으로부터 선택된 전기도금된 귀금속을 포함하는 층(107)이다. 땜납과의 최소한의 상호확산(interdiffusion)이 요구된다면, 층(107)은 백금으로 구성될 수도 있다. 층(107)은 바람직하게는 10 내지 75 ㎚의 두께이고, 니켈 표면을 산화물로부터 보호하는 것이 주목적이다.
도2의 개략 단면으로 도시된 본 발명의 실시예에서, 리드 프레임의 알루미늄 합금 기부(101)는 다시 아연 층(102)에 의해 보호된다. 그러나, 전기도금된 니켈 층(105)이 무전해 니켈 층(103)의 바로 다음에 적층되고, 니켈 합금 층은 생략된다. 니켈 층(103, 105)들의 결합된 두께는 600 내지 4000 ㎚ 범위일 수 있다. 귀금속의 얇은 층(107)은 다시 최외곽 층을 형성한다.
도3의 개략 단면도에, 반도체 패키지(300)의 조립에 적용된 본 발명의 알루미늄 또는 알루미늄 합금 리드 프레임(301)이 도시되어 있다. 리드 프레임(301)은 IC 칩(303)이 접착제(304)(통상 중합되는 에폭시 또는 폴리마이드)를 사용하여 부착되어 있다. 리드 프레임(301)은 또한 복수개의 리드 세그먼트(305)를 갖는다. 이들 리드 세그먼트들은 칩 장착 패드(302) 부근의 제1 단부(305a)와 장착 패드(302)로부터 멀리 있는 제2 단부(305b)를 갖는다.
도3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 리드 프레임(301)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 기부(306)를 포함한다. 이러한 알루미늄의 표면 상에서는 도1 내지 도2에 상세히 도시된 일련의 층이 있다. 알루미늄에 가장 가까이에는 아연 층(307)이 있다. 이러한 층은 제1 니켈 층, 니켈과 귀금속으로 제조된 합금 층, 및 제2 니켈 층이 상기 아연 층 다음으로 적층되어 있다. 도3에서, 이들 3개의 층은 결합되어 도면 부호 308로 도시되어 있다. 최외곽 층(309)은 귀금속으로 제조된다. 도1및 도2에서 강조한 것처럼, 이와 같은 층 배열 순서의 장점은 세그먼트 단부(305b)들과 리드 프레임이 부식으로부터 보호된다는 것이다.
상기한 바와 같이, 이와 같은 층의 배열 순서는 리드 프레임 세그먼트에 대한 칩 접착 패드의 연결에 있어서 신뢰성 있는 와이어 접합을 제공한다. 도3에서, 접합 와이어(310)는 칩 접촉 패드에 접합된 볼(ball, 311)과 리드 프레임 세그먼트(305)의 귀금속 표면(309)에 용접된 스티치(stitch, 312)를 갖는다. 이와 다르게, 볼 접합 또는 웨지 접합(wedge bond)이 세그먼트에 대한 접촉 방식으로서 사용될 수 있다. 접합 와이어는 금, 구리, 알루미늄, 및 이들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 이들 금속들 중 어떠한 금속도 본 발명의 알루미늄 기부를 갖는 리드 프레임에 대한 신뢰성 있는 접합 접촉을 제공한다.
도3에 도시된 바와 같이, 세그먼트(305)의 제2 단부(305b)는 알루미늄 기부와 전기도금된 니켈 층의 연성에 의해 굽힘 및 성형되기 적합하다. 이러한 가단 특성을 사용함으로써, 세그먼트(305)는 반도체 장치의 기판 부착 방식으로서 표면 장착 또는 어떠한 다른 기술이라도 요구되는 형상으로 형성될 수 있다. 세그먼트의 굽힘은 제2 세그먼트 단부(305b)의 방식을 감소시키지 않는다. 예를 들면, 도3은 세그먼트(305)의 소위 "갈매기 날개형 형상(gull wing shape)"을 나타낸다. 이러한 형상은 도3에 도시된 것처럼 소위 "작은 윤곽"형태의 IC 패키지용으로 널리 사용된다.
본 발명의 알루미늄 리드 프레임은 성형된 리드 프레임 세그먼트의 다른 부분 또는 기판에 대한 용이하고 신뢰성 있는 납땜 부착을 제공한다. 도3에서, 납땜 부착 재료(313)는 주석/납 혼합물, 주석/인듐(indium), 주석/은 및 전도성 접착제 합성물로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 포함한다. 최외곽 층(309)의 금속의 선정에 따라, 니켈 층(308)에 대한 직접적인 땜납의 습윤이 달성되도록 부착 공정 중 납땜 재료 내부로 용해될 수 있다(도3에서는 도시 않됨).
도3에서, 성형 합성물(314)은 장착 칩(303), 접합 와이어(310) 및 리드 세그먼트(305)의 제1 단부(305a)를 캡슐화한다. 멀리 있는 세그먼트의 제2 단부(305b)는 성형된 패키지 내에 포함되지 않고, 납땜 부착을 위해 노출된 상태로 있다. 전형적으로, 캡슐화 재료(314)는 리드 프레임의 최외곽 층(309)에 접착하기 적합한 에폭시계 성형 합성물로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 예를 들어, 층(309)이 팔라듐으로 제조된다면, 성형 합성물에 대한 우수한 접착성이 달성되고, 패키지의 갈라짐, 습기 유입 및 부식이 방지될 수 있다.
본 발명은 도시된 실시예에 관해 설명되었지만, 이러한 설명는 제한적으로 해석되어서는 않된다. 당해 기술 분야의 숙련자들은 설명을 참조하면 본 발명의 도시된 실시예뿐만 아니라 다른 실시예에 대한 다양한 수정과 조합이 가능하다는 것을 명확히 알 것이다. 예컨대, 반도체 칩의 재료는 실리콘, 실리콘 게르마늄(silicon germanium), 갈륨 비소화물(gallium arsenide) 또는 제조에 사용되는 어떠한 다른 반도체 재료를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 리드 프레임의 제조 방법은 세척 단계, 반복 증착 단계, 또는 접착을 달성하기 위한 다른 재료의 선택에 의해 변경될 수 있다. 그러므로, 첨부된 특허청구범위는 이와 같은 어떠한 변경 또는 실시예도 포함하고자 한다.
발명에 따르면, 장치 변경에 따른 비용과 새로운 자본 투자 없이 기존의 제조 장치를 사용하여, 알루미늄 기부, 연성 리드 및 동시에 납땜 및 접합되는 표면을 갖는 리드 프레임이 제공되어 저비용 및 신뢰성 있는 대량 생산 방법을 달성할 수 있다.

Claims (22)

  1. 집적 회로 칩에 사용하기 위한 리드 프레임에 있어서,
    연성과 납땜성을 제공하도록 변화된 표면을 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
  2. 제1항에 있어서, 상기 변화된 알루미늄 또는 알루미늄 합금 표면은 와이어 접합에도 적합한 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
  3. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 기부는 약 100 내지 250 ㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
  4. 집적 회로 칩에 사용하기 위한 리드 프레임에 있어서,
    니켈에 대한 접착을 제공하도록 변화된 표면을 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 합금 기부와,
    알루미늄에 접착하도록 된 제1 표면과 납땜성을 제공하도록 된 제2 표면을 갖는 연성 니켈 층
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
  5. 제4항에 있어서, 상기 니켈 층은 500 내지 3000 ㎚의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
  6. 집적 회로 칩에 사용하기 위한 리드 프레임에 있어서,
    아연 표면 층을 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제작된 리드 프레임 기부,
    알루미늄 및 아연과 조합되도록 적층된, 상기 아연 층 상의 제1 니켈 층,
    상기 제1 니켈 층 상의 니켈과 귀금속의 합금 층,
    리드의 굽힘 및 납땜 부착에 적합하도록 적층된, 상기 합금 층 상의 제2 니켈 층, 및
    최외곽 귀금속 층
    을 포함하여, 상기 리드 프레임은 부식 방지, 와이어 접합 및 다른 부품에 대한 납땜 부착에 적합한 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
  7. 제6항에 있어서, 상기 귀금속 층은 10 내지 250 ㎚의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
  8. 제6항에 있어서, 상기 합금 층은 25 내지 75 ㎚의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
  9. 제6항에 있어서, 상기 귀금속은 금, 은, 팔라듐, 로듐 및 백금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
  10. 제6항에 있어서, 상기 납땜 부착은 주석/납, 주석/인듐, 주석/은 및 전도성 접착제 합성물로 구성된 그룹으로부터 선택된 납땜 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
  11. 집적 회로 칩에 사용하기 위한 리드 프레임에 있어서,
    아연 표면 층을 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조된 리드 프레임 기부,
    알루미늄 및 아연과 조합되도록 적층된, 상기 아연 층 상의 제1 니켈 층,
    리드의 굽힘 및 납땜 부착에 적합하도록 적층된, 상기 합금 층 상의 제2 니켈 층, 및
    최외곽 귀금속 층
    을 포함하여, 상기 리드 프레임이 부식 방지, 와이어 접합 및 다른 부품에 대한 납땜 부착에 적합한 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
  12. 반도체 장치에 있어서,
    집적 회로 칩을 위한 칩 장착 패드와, 상기 장착 패드 부근의 제1 단부와 상기 장착 패드로부터 이격된 제2 단부를 갖는 복수개의 리드 세그먼트를 포함하는 리드 프레임,
    상기 장착 패드에 부착된 집적 회로 칩, 및
    상기 칩과 상기 리드 세그먼트의 상기 제1 단부를 상호 연결하는 접합 와이어를 포함하고,
    상기 리드 프레임은 아연 표면 층, 제1 니켈 층, 니켈과 귀금속의 합금 층, 제2 니켈 층 및 최외곽 귀금속 층을 갖는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 제조되고,
    상기 리드 세그먼트의 상기 제2 단부는 부식 방지, 다른 부품에 대한 납땜 부착 및 굽힘에 적합한 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 접합 와이어는 금, 구리, 알루미늄 또는 이들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 리드 세그먼트의 상기 인접 단부에 대한 접합 와이어 접촉부는 볼 접합, 스티치 접합 또는 웨지 접합에 의한 용접부를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 반도체 장치는 상기 장착된 칩, 접합 와이어 및 상기 리드 세그먼트의 인접 단부를 둘러싸는 캡슐화 재료를 추가로 구비하고,
    상기 리드 프레임의 상기 이격된 단부는 노출된 상태로 남겨두는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 캡슐화 재료는 상기 리드 프레임에 접착하기 적합한 에폭시계 성형 합성물로 구성된 그룹으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 리드 프레임이 다른 부품에 대한 납땜 부착에 적합한 형상을 얻도록 제2 단부가 절곡된 리드 세그먼트를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 세그먼트 굽힘은 상기 제2 세그먼트 단부의 부식 방지성을 감소시키지 않는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  19. 리드 프레임을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    집적 회로 칩을 위한 장착 패드와 복수개의 리드 세그먼트를 구비한 알루미늄 리드 프레임을 제공하는 단계,
    알칼리성 용액으로 상기 리드 프레임을 세척하는 단계,
    상기 리드 프레임을 산성 용액에 침지시킴으로써 상기 리드 프레임 표면을 활성화시키는 단계,
    어떠한 알루미늄 산화막도 용해시키고 아연 층을 형성하도록 상기 활성화된 리드 프레임을 아연산염 도금 용액에 침지시키는 단계,
    상기 리드 프레임을 무전해 니켈 도금 용액에 침지시키고, 상기 아연 층 상에 제1 니켈 층을 적층시키는 단계,
    니켈과 귀금속의 합금을 포함하는 층을 전기도금하는 단계,
    상기 리드 프레임이 기계적 굽힘에 적합하도록 제2 니켈 층을 전기도금하는 단계, 및
    상기 리드 세그먼트가 부식 방지와 다른 부품에 대한 납땜 부착에 적합하도록 귀금속 층을 전기도금하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 제2 니켈 층의 상기 전기도금은 기계적으로 연성인 니켈 층을 생산하도록 선택된 전류 밀도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 공정 단계들은 시간 지연은 없지만 중간의 헹굼 단계를 포함하는 순서로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 리드 프레임을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    집적 회로 칩을 위한 장착 패드와 복수개의 리드 세그먼트를 구비한 알루미늄 리드 프레임을 제공하는 단계,
    알칼리성 용액 내에서 상기 리드 프레임을 세척하는 단계,
    상기 리드 프레임을 산성 용액에 침지시킴으로써 상기 표면을 활성화시키는 단계,
    어떠한 알루미늄 산화물도 용해시키고 아연 층을 형성하도록 상기 활성화된 리드 프레임을 아연산염 도금 용액에 침지시키는 단계,
    상기 리드 프레임을 무전해 니켈 도금 용액에 침지시키고, 상기 아연 층 상에 제1 니켈 층을 적층시키는 단계,
    상기 리드 프레임이 기계적 굽힘에 적합하도록 제2 니켈 층을 전기도금하는 단계, 및
    상기 리드 세그먼트가 부식 방지와 다른 부품에 대한 납땜 부착에 적합하도록 귀금속 층을 전기도금하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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