KR20010078059A - 반도체 장치 - Google Patents

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히사노나에
미우라히데오
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가나이 쓰토무
가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
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Abstract

본 발명은 반도체장치에 관한 것으로서 리드재로서 종래부터 사용되어 온 동합금병(銅合金竝)이 높은 열전도율을 가지면서 동합금에 비하여 작은 선팽창걔수를 갖도록 소결(燒結)된 Cu2O 와 Cu의 복합합금을 주구성재료로한 재료를 이용하여 리드(리드프레임)를 이용하는 수지봉합형반도체장치에 있어서, 강도신뢰성을 확보하면서 방열성도 높이고 본딩와이어의 단선 납땜접속부의 수명저하 수지크랙등을 방지한 수지봉합형 반도체장치를 제공하는 기술이 제시된다.

Description

반도체 장치{A SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 리드프레임을 이용한 수지봉합형 반도체장치에 관한다.
종래 수지봉합형 반도체장치용의 리드프레임에는 42Ni-Fe합금과 동합금이 이용되어진다.
예를들면 ASIC(Application Sepecific Integrated Circutit)와 마이크로컴퓨터등의 QFP(Quard Flat Package)에서는 발열량이 커지기 때문에 동합금의 리드프레임이 이용되고, DRAM(Dynamic Random Access Memory)와 SRAM(Static Random Access Memory)등의 발열량도 수치도 큰 메모리 소자를 탑재하는 TSOP(Thin Small Out line Package)에서는 42Ni-Fe 합금이 이용되어지고 있다. 또한, 전력용의 IC를 탑재하는 QFN(Quard Flat Nonleaded Package), SOP, QFP에서는 일반적으로 동합금의 리드프레임이 이용되어지고 있다.
수지봉합형반도체장치의 부재의 선팽창계수는 프레임재로서 이용되는 동합금이 17 ×10-6/℃, 42Ni-Fe합금이 4 ×10-6~ 5 ×10-6/℃ 반도체소자인 실리콘이 3×10-6/℃ 봉합수지 12 ~ 25 ×10-6/℃와 상호 크게 다르고 수지봉합 공정후의 냉각과정과 신뢰성시험을 위한 온도사이클시험등에서는 반도체장치내부에 열응력이 발생한다. 온도사이클시험에서는 본 열응력이 반복부하가 되기 때문에 다이패드와 리드프레임의 단부로부터 수지에 피로분열이 발생하거나 본딩와이어가 피로에 의해 단선하는 경우가 있다. 또한, 기판실장후의 온도사이클시험과 전자기기내에서의 온 오프의 반복에서는 반도체장치와 실장기판의 선팽창계수차에 의해 리드의 납땜접속부에도 피로파괴가 발생하는 경우가 있다.
프레임재와 반도체소자와의 선팽창계수차는 동합금보다도 42Ni-Fe합금쪽이 작고 발생하는 열응력도 작다. 따라서 반도체장치의 고방열화를 위하여 리드프레임재로 동합금에 변경하는 것만으로는 열응력이 증대하고 앞서 기술한 바와 같이 피로파괴가 발생하는 가능성이 커지기때문에 근년소비전력이 증가해온 메모리용의 TSOP에서는 칩사이즈가 매우 크기때문에 방열성을 다소 희생하여 종래와 같이 42Ni-Fe합금이 사용되고 있다. 또한, 비교적 칩사이즈와 발열량이 큰 마이크로컴퓨터와 ASIC를 탑재하는 다핀계의 QFP에서는 자기 인덕터스가 작게 고주파동작으로 향하고 방열성이 높은 동합금계의 리드프레임이 사용되어 왔다. 그러나 소자와 리드프레임의 접착에 작은 칩으로 이용되고 있는 열전도율이 큰 납땜을 사용하면 납땜의 피로가 발생하고 접착이 쇠화하기 때문에 영계수가 낮은 에폭시계의 접착재(은페이스트등)밖에 사용하고 있지 않았다.
최근의 소형 휴대기기에서는 Chip Scale Package(CSP)로 불리우는 구조의 매트릭스형으로 배열한 납땜범프로 전기접속을 취하는 소형의 반도체장치가 증가하고 다. CSP는 반도체장치에 점유되는 소자의 체적비율이 크고 외관의 선팽창계수가 소자측에 가깝다. 이로 인하여 CSP가 다수탑재되는 소형휴대기기의 실장기판에서는 선팽창계수를 종래의 15 ~ 16 ×10-6/℃에서 약 절반의 8 ×10-6/℃정도로 작은 저열팽창기판의 사용이 일반화하고 있다. 그러나 저팽창기판에 탑재되는 동합금을 이용한 종래의 리드프레임을 이용한 수지봉합형의 반도체장치에서는 역으로 기판과의 선팽창계수차가 증가하기 때문에 납땜접속부의 수명저하와 수지크랙이 발생하는 염려가 있다.
본 발명의 목적은 상기의 문제점 중 적어도 하나를 해결하고 강도신뢰성을 확보하면서 방열성도 높은 수지봉합형 반도체장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 예를들면 수지봉합형 반도체장치를 이하와 같이 구성하는 것으로 해결된다. 즉, 리드(리드프레임)재로서 종래에서 사용되어온 동합금병이 높은 열전도율을 가지면서 동합금에 비하여 작은 선팽창계수를 갖도록 소결된 Cu2O와 Cu의 복합합금을 주구성재료(리드를 구성하는 재료 중에서도 가장 함유량이 많은 재료)로한 재료를 이용한다. Cu/Cu2O의 복합합금의 물성을 조사한 범위는 Cu2O의 배합비율인 20 ~ 80vol.%로 이때 열전도율은 280 ~ 41W/(mK) 선팽창계수는 13.8 ~ 5.5 ×10-6/℃였다. 예를들면 고방열화를 위하여 반도체에서 이용되고 있는 동합금에 필적하는 열전도율 150W/(mK)이상이 필요한 경우는 Cu20의 배합비를 20 ~ 46%로 하면 좋다. 이 때 Cu/Cu2O 복합합금의 선팽창계수는 13.8 ~10.5×10-6/℃ 정도가되고 동합금의 선팽창계수 17 ×10-6/℃에 비하여 칩의 선팽창계수 3 ×10-6/℃에 가까워진다. 그러나 응력완화를 위하여 42alloy병의 선팽창계수 4 ~ 5 ×10-6/℃가 필요한 경우는 Cu/Cu2O복합합금의 Cu2O의 배합비를 80%로 하면 선팽창계수로 5.5 ×10-6/℃ 열전도율로 41W/(mK)가 얻어진다. 이것은 42alloy의 열전도율 15W/(mK)에 비하여 2.7배나 크다. 이와 같이 목적에 의해 배합비율을 자유로 조정하면 좋다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예의 반도체장치에 있어서 리드프레임에 Cu/Cu2O 복합합금을 이용한 QFN이 기판에 납땜실장된 구조의 단면도이다.
도 2 는 본 발명의 제 2 실시예의 반도체장치에 있어서 리드프레임에 Cu/Cu2O 복합합금을 이용한 QFN의 태브뒷면이 노출하고 기판에 납땜실장된 구조의 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 제 3 실시예의 반도체장치에 있어서 리드프레임에 Cu/Cu2O 복합합금을 이용한 QFP 혹은 SOP가 기판에 납땜실장된 구조의 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 제 4 실시예의 반도체장치에 있어서 리드프레임에 Cu/Cu2O 복합합금을 이용한 방열리드가 있는 HQFP 혹은 HSOP의 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 제 5 실시예의 반도체장치에 있어서 리드프레임에 Cu/Cu2O 복합합금을 이용하여 태브뒷면이 노출한 HQFP 혹은 HSOP의 단면도이다.
도 6 은 본 발명의 제 6 실시예의 반도체장치에 있어서 이형조 리드프레임에 Cu/Cu2O 복합합금을 이용하여 태브뒷면이 노출한 HQFP 혹은 HSOP의 단면도이다.
도 7 은 본 발명의 제 7 실시예의 반도체장치에 있어서 리드프레임에Cu/Cu2O 복합합금을 이용한 LOC구조의 TSOP단면도이다.
도 8 은 본 발명의 제 8 실시예의 반도체장치에 있어서 리드프레임에 Cu/Cu2O 복합합금을 이용한 LOC구조의 TSOP에 반도체소자가 2매 탑재된 단면도이다.
도 9 는 본 발명의 Cu/Cu2O 복합합금의 Cu/Cu2O의 배합비율에 의한 영계수 열전도율 선팽창계수의 변화를 나타낸 도이다.
<주요부분에 대한 도면부호의 설명>
1 : 반도체소자 2 : 펠렛결합재(Pallet-Bonding)
3 : 리드프레임의 태브(Tab) 4 : 본딩와이어
5 : 봉합수지 6 : 리드프레임의 리드
7 : 납땜 8 : 후드프린트
9 : 실장기판 10 : 쓰루 홀
11 : 열전도로(Thermal via) 12 : 방열리드
13 : 이형조 태브 14 : 절연필름
15 : 리드프레임의 리드
본 발명의 제 1 실시예의 반도체장치의 단면도를 도 1에 나타낸다. 반도체소자(1)은 Cu/Cu2O 복합합금으로 이루는 리드프레임의 태브(3)에 펠렛결합재(2)로 접착되고 본딩와이어(4)에서 Cu/Cu2O복합합금으로 이루는 리드(6)과의 전기접속이 실행되고 있다. 반도체소자(1)과 전기접속부는 수지(5)에서 봉합되어 있다. 리드(6)은 봉합수지 하면에 노출하고 본 노출부가 실장기판(9)의 후드프린트(8)에는 납땜(7)에서 전기적으로 접속된다. 태브(3)과 리드(6)은 Cu/Cu2O의 복합합금으로 이루는 근거는 균일한 두께의 리드프레임의 부위이지만 태브(3)의 뒷면을 엣칭등으로 리드(6)에서 얇게 가공되어 있다. 실장기판은 복수층의 배선이 설치되고 표면배선과 내층 혹은 뒷면배선은 쓰루홀(10)에 의해 전기적으로 접속되어 있는 경우가 있다. 본 구조는 저열팽창인 기판에 실장한 경우 태브뒷면의 수지크랙방지에 효과적이다. Cu/Cu2O의 복합합금의 Cu2O의 배합비율에 의한 물성치를 도 9에 나타낸다. 리드프레임재로서는 방열성을 중시하는 경우는 Cu/Cu2O의 복합합금의 배합비율을 종래의 동합금 리드프레임의 150W/(mK)이상의 열전도율이 얻어지는 Cu20의 배합비율로 20 ~ 46vol.%의 범위가 바람직하다. 도 1에서는 반도체소자(1)이 태브(3)보다 크지만 역으로 반도체소자(1)이 태브(3)보다 작아도 좋다.
제 2 실시예의 반도체장치의 단면도를 도 2에 나타낸다. 반도체소자(1)은Cu/Cu2O의 복합합금으로 이루는 리드프레임의 태브(3)에 펠렛결합재(2)로 접착되고 본딩와이어(4)로 Cu/Cu20 복합합금으로 이루는 리드프레임의 리드(6)과의 전기적접속이 실행되고 있다. 반도체소자(1)과 전기적접속부는 수지(5)로 봉합되어 있다. 리드(6)은 실장기판(9)의 후드프린트(8)에 납땜(7)로 전기적으로 접속된다. 태브(3)과 리드(6)은 Cu/Cu20복합합금으로 이루는 균일한 두께의 한매의 리드프레임이고 태브(3)의 뒷면은 리드(6)과 같은 사양으로 봉합수지 하면에 노출하고 있다. 본 태브뒷면을 실장기판(9)에 납땜부착하는 것에 의해 고방열화를 도모하는 것이 가능하다. 태브뒷면이 납땜부착되는 배선에는 열전도로(11)이 설치되고 내층의 면형태 배선으로 방열을 촉진한다. 도 2와 같이 반도체장치가 실장기판에 견고하게 고정되는 경우 온도사이클에 의해 생기는 열응력을 리드의 변형에 의해 흡수하는 것이 곤란하다. 따라서 제 1 실시예와 같은 사양으로 특히 저열팽창인 실장기판을 이용하는 경우 본 구조의 리드프레임에 Cu/Cu20복합합금을 이용하는 겻이 저응력화에 효과적이다.
제 3 실시예의 반도체장치의 단면도를 도 3에 나타낸다. 반도체소자(1)은 Cu/Cu2O의 복합합금으로 이루는 리드프레임의 태브(3)에 펠렛결합재(2)로 접착되고 본딩와이어(4)로 Cu/Cu20 복합합금으로 이루는 리드프레임의 리드(6)과의 전기적접속이 실행되고 있다. 반도체소자(1)과 전기적접속부는 수지(5)로 봉합되어 있다. 리드(6)은 반도체장치의 측면으로부터 수지외부에 돌출되어 외부 리드가실장기판(9)의 후드프린트(8)에 납땜(7)로 전기적으로 접속된다. 제 2 실시예의 반도체장치의 종래예는 동합금을 리드프레임에 이용한 Quard Flat Package(QFP)와 Small Outline Package(SOP)등이 있다. 외형이 28mm각의 대형의 QFP에는 ASIC와 마이크로컴퓨터등 소자면적도 비교적 큰 것이 탑재되어 있다. 본 경우 펠렛결합재(2)에는 강성이 큰 납땜을 이용하는 것이 불가능하고 방열성을 희생하여 유연한 에폭시계의 은페이스트를 이용하고 있다. 그러나 본 발명의 Cu/Cu20 의 복합합금으로 이루는 리드프레임재를 이용하면 열전도가 좋은 납땜에 의한 펠렛결합도 가능해지고 반도체장치의 또다른 고방열화가 가능해진다.
제 4 실시예의 반도체장치의 별도의 단면도를 도 4에 나타낸다. 반도체소자(1)은 Cu/Cu20 복합합금으로 이루는 리드프레임의 태브(3)에 펠렛결합재(2)로 접착되고 본딩와이어(4)에서 Cu/Cu20 복합합금으로 이루는 리드프레임의 리드(6)과의 전기접속이 실행되고 있다. 반도체소자(1)과 전기접속부는 수지(5)로 봉합되어 있다. 전기신호의 수수를 실행하는 리드(6)은 태브(3)과 전기적으로 절연되어 있지만 도 4에서는 태브(3)과 연속한 방열리드(12)가 설치되어 있다. 전력용의 IC에서는 ASIC와 마이크로컴퓨터등과같이 다수의 신호핀을 필요로하지 않기 때문에 QFP와 SOP에 방열리드(12)를 설치한 QFP with Heatsink(HQFP)와 SOP with Heatsing(HSOP)가 다용되고 있다. 본 방열리드(12)를 실장기판에 납땜부착하는 것에 의해 또다른 고방열화를 도모하는 가능하다. 본 방열리드(12)는 신호용 리드와 같은 폭의 경우도 있지만 방열을 우선으로 하기 위하여 폭넓게 형성되는경우가 있다. 후자의 경우 방열리드는 견고하게 기판에 납땜실장되기 때문에 열변형을 방열리드가 흡수하는 것이 어렵고 납땜접속부가 파괴되는 경우가 있다.그러나 본 구조의 리드프레임에 Cu/Cu20 복합합금을 이용하는 것에 의해 납땜접속부의 파괴를 방지하는 것이 가능하다.
제 5 실시예의 반도체장치의 별도의 단면도를 도 5에 나타낸다. 반도체소자(1)은 Cu/Cu2O 복합합금으로 이루는 리드프레임의 태브(3)에 펠렛결합재(2)로 접착되고 본딩와이어(4)에서 Cu/Cu20 복합합금으로 이루는 리드프레임의 리드(6)과의 전기접속이 실행되고 있다. 반도체소자(1)과 전기접속부는 수지(5)로 봉합되어 있다. 태브(3)과 리드(6)은 Cu/Cu2O 복합합금으로 이루는 균일한 두께의 한매의 리드프레임이고 태브(3)의 뒤면은 봉합수지 하면에 노출하고 있다. 본 구성은 제 2 실시예에서 기술한 바와 같은 사양의 효과가 있다.
제 6 실시예의 반도체장치의 단면도를 도 6에 나타낸다. 반도체소자(1)은 Cu/Cu2O 복합합금으로 이루는 리드프레임의 태브(3)에 펠렛결합재(2)로 접착되고 본딩와이어(4)에서 Cu/Cu20 복합합금으로 이루는 리드프레임의 리드(6)과의 전기접속이 실행되고 있다. 반도체소자(1)과 전기접속부는 수지(5)로 봉합되어 있다. 태브(3)과 리드(6)은 Cu/Cu2O 복합합금으로 이루는 적어도 2종류의 다른 두께로 이루는 한매의 이형조 리드프레임의 부위이고 태브(3)이 리드(6)에 비하여 두껍게 형성되어 태브뒷면이 봉합형수지하면에 노출하고 있다. 본 태브뒷면을 실장기판에 납땜부착하는 것에 의해 고방열화를 도모하는 것이 가능하다. 본 구성은 제 2 실시예에서 기술한바와 같은 사양의 효과가 있다.
제 7 실시예의 반도체장치의 단면도를 도 7에 나타낸다. 반도체소자(1)의 회로형성면에 절연필름(14)를 매개로 Cu/Cu2O 복합합금으로 이루는 리드프레임에 리드(6)이 접착되고 본딩와이어(4)에서 리드(6)과 반도체소자(1)의 전기적접속이 실행되고 있다. 반도체소자(1)과 전기접속부는 수지(5)로 봉합되어 있다. 리드(6)은 반도체장치의 측면으로부터 수지외부에 돌출되어 있다. 제 7 실시예의 반도체장치의 구성은 메모리소자에 다수 이용되는 Lead on Chip(LOC)구조이고 수지외형에 가까운 큰 소자를 탑재하는 것이 가능하다. 메모리소자의 소비전력은 증가하는 경향이 있기 때문에 리드프레임재로서 종래 이용되고 있는 42Ni-Fe 합금대신에 동합금을 이용하는 것도 검토되고 있다. 그러나 열응력이 커지기 때문에 실장기판과의 납땜접속부의 수명저하와 본딩와이어의 단선등이 염려되고 있다. Cu20 의 배합비율을 80vol.%으로 하면 42Ni-Fe합금 동등의 저응력화를 입히지않고 고방열화가 도모된다. CU20의 배합비율20 ~ 50vol.%이면 리드프레임재로서 상용되고 있는 동합금이상의 고방열화가 가능해진다.
제 8 실시예의 반도체장치의 단면도를 도 8에 나타낸다. 반도체소자(1a)의 회로형성면에 절연필름(14a)를 매개로 Cu/Cu2O 복합합금으로 이루는 리드프레임의 리드(6)이 접착되고 본딩와이어(4a)로 리드(6a)와 반도체소자(1a)의 전기접속이 실행되고 있다. 동 구성의 반도체소자(1b) 리드(6b) 본딩와이어(4b)가반도체소자(1a)와 뒷면맞춤으로 배치되고 이들 2매의 반도체소자와 전기접속부는 수지(5)로 봉합되어 있다. 리드(6b)는 리드(6a)에 접속되어 실장기판과의 전기적인 접속은 반도체장치의 측면으로부터 수지외부에 길게 돌출되어 리드(6a)로 실행한다. 실장기판과의 전기적인 접속은 반도체장치의 측면으로부터 수지외부에 길게 돌출되어 리드(6a)에서 실행한다. 본 구성의 반도체장치는 메모리소자를 고밀도로 실장하는 경우에 이용된다. 본 구성은 제 7 실시예에서 기술한 바처럼 같은 사양의 효과가 있다.
본 발명에 의하면 강도 신뢰성을 확보하면서 방열성도 높은 수지봉합형 반도체장치를 제공하는 것이 가능하다.

Claims (4)

  1. 반도체소자와,
    상기 반도체소자에 본딩와이어를 매개로 전기적으로 접속된 Cu/Cu2O의 복합합금을 주구성재료로하는 리드와,
    상기 반도체소자의 상기 본딩와이어가 접속된 영역과 상기 본딩와이어와 상기 리드의 상기 본딩와이어가 접속된 영역에 존재하는 수지를 구비한 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  2. 반도체소자와,
    상기 반도체소자에 본딩와이어를 매개로 전기적으로 접속된 Cu/Cu2O 복합합금을 주구성재료로하는 리드와,
    상기 반도체소자의 상기 본딩와이어가 접속된 면과는 반대측의 면을 지지하는 상기 Cu/Cu2O 복합합금을 주구성재료로하는 태브(tab)와,
    상기 반도체소자의 상기 본딩와이어가 접속된 영역과 상기 본딩와이어와 상기 리드의 상기 본딩와이어가 접속된 영역에 존재하는 수지를 구비한 것을 특징으로하는 반도체장치.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서 상기 Cu/Cu2O 복합합금의 CU20의 함유량이 20 ~80Vol.%인 것을 특징으로 하는 반도체장치.
  4. 실리콘 칩과,
    상기 실리콘칩에 본딩와이어를 매개로 전기적으로 접속된 리드와,
    상기 반도체소자의 상기 본딩와이어가 접속된 면과는 반대측의 면을 지지하는 태브와,
    상기 반도체소자의 상기 본딩와이어가 접속된 영역과 상기 본딩와이어와 상기 기 리드의 상기 본딩와이어가 접속된 영역에 존재하는 수지를 구비한 반도체장치에 있어서,
    상기 리드 및 상기 태브의 주구성재료는 열전도율이 280 ~ 41W/(mK) 선팽창계수가 13.8 ~ 5.5 ×10-6/℃인 것을 특징으로 하는 반도체장치
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