KR20020010895A - 성형된 플라스틱 전자 패키지용 리드 프레임 수분 장벽 - Google Patents

성형된 플라스틱 전자 패키지용 리드 프레임 수분 장벽 Download PDF

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KR20020010895A
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Abstract

다이 회로에 접근하도록 전기 전도성 도선이 외장의 벽을 관통하는 상태로 중공의 플라스틱 외장 내에 밀봉되는 다이로 구성되는 전자 패키지는, 도선의 표면이 외장의 소재와 접촉하는 위치에만 열경화 접착제를 선택적으로 도포하고, 패키지를 도선 둘레에 몰딩하고, 접착제를 상기 외장의 몰딩 공정 중에 또는 후경화에서 경화시키는 것에 의하여 제조된다. 접착제는 도선 둘레에 가스 기밀한 시일을 형성하고 열 순환 중에 시일을 유지하도록 구성되어, 접착제 성분은, 패키지 제조와 다른 회로와의 전기 접속 및, 완성 및 장착된 제품이 사용 중에 노출되는 통상의 환경 변화에 관련한 통상의 공정에 노출된다. 특히, 접착제는 증기 기밀한 밀봉은 여전히 유지하면서 도선과 외장 소재 사이의 열팽창 계수의 차이를 수용하도록 선택된다.

Description

성형된 플라스틱 전자 패키지용 리드 프레임 수분 장벽{LEAD FRAME MOISTURE BARRIER FOR MOLDED PLASTIC ELECTRONIC PACKAGES}
전자 패키지는, 다이 회로와 인쇄 배선 기판과 같은 기재 또는 캐리어 상의 회로 사이의 전기적 접속을 허용하면서 다이를 위한 보호 외장으로서 기능한다. 본 발명의 관심 대상인 패키지는 다이를 전체적으로 에워싸는 중공체이며, 이 중공체는 초기에는 벽에 전기 도선 또는 "트래이스(trace)"가 매립된 개방 리셉터클(receptacle)로서 형성된다. 일단 리셉터클이 그것의 벽 내에 도선이 매립된 상태로 형성되면, 다이가 리셉터클의 내측에 위치되고, 도선에 전기적으로 접속된다. 다음에, 리셉터클은 추가의 전기적 접속 및 사용을 포함한 추가의 처리를 위해 폐쇄 및 밀봉된다.
극히 미세한 회로 라인과 다이에 현재 이용되고 있는 높은 전류 밀도로 지속적이고 신뢰할만한 성능을 달성하기 위하여, 일단 밀봉된 후에는 수증기와 그 외의 대기 가스가 패키지에 도입되는 것을 방지하는 것이 매우 중요하다. 다이를 밀봉하여 그 다이가 전술한 가스에 노출되는 것을 방지함으로써, 패키지는 습한 분위기 및 그외의 잠재적으로 해로운 분위기에서 다이의 성능을 개선한다. 패키지의 외부에 있는 부품과 다이 사이의 전기 접속부를 형성하는 도선은 패키지의 벽을 통과하는 얇은 금속 스트립이며, 이 스트립의 내측 단부는 다이 회로에 접합되며 외측 단부는 기재의 회로에 접합하기에 유용하다. 스트립과 패키지의 벽이 상이한 소재로 제조되므로, 스트립과 패키지의 벽 사이에 증기 장벽으로서 기능하는 안정된 접합부를 형성하기가 어렵다. 이러한 어려움은 소재의 팽창 및 수축 비율이 크게 다를 때에 특히 심각하다. 이러한 팽창 및 수축은, 다이 접합, 와이어 접합 및 솔더링과 같은 처리 단계 중에 패키지가 겪는 열 순환 중에 생기는 온도 편차에 따라 발생한다. 온도 편차는, 이용된 패키지가 다이 자체에 사용된 높은 전류 밀도를 겪게 되는 통상의 환경에서도 발생한다. 결과로서, 특히 도선이 벽을 관통하는 지점에 간극이 형성되기 쉬운데, 이 간극을 통하여 가스가 패키지로 도입되어 다이를 오염시킬 수 있다.
금속 도선과 패키지 벽 사이의 계면을 밀봉하는 통상의 방법은 벽을 도선 위에 직접적으로 몰딩함으로써 패키지를 형성하는 것이다. 사출 성형 또는 이송 성형이 통상적으로 이용되며, 몰딩 공정 중에 또는 그 공정 직후의 후경화(post-cure)에서 경화되는 용융된 열 경화 수지로부터 출발한다. 이들 몰딩 기술은 금속과 플라스틱 사이의 기계적 접합을 제공하며, 전술한 이유로, 이 접합은 높은 전류밀도를 겪는 패키지에 대해서는 그다지 효과적이지 않다. 또한, 이들 공정에서, 몰딩 공구는 통상적으로 100 ℃ 내지 175 ℃의 온도로 제어되는 반면, 도선의 금속 표면은 온도가 현저하게 낮다. 이러한 온도차는 용융 수지의 경화를 방해하고, 접합 강도도 저하시킨다. 몰딩 화합물로서 사용된 통상의 수지가 그 자체로 접착 성질을 가지므로, 그 수지가 몰딩 공구에 접착되는 것을 방지하는 박리제가 요구된다는 사실로부터, 추가의 누설 제공원이 발생된다. 통상의 박리제에는 미정질의 왁스가 포함되며, 이 왁스는 몰딩 화합물 조성에 섞인다. 불행하게도, 박리제는 몰딩 화합물과 금속 도선 사이의 접합도 약화시킨다.
본원의 발명자가 아는 한에서는 이전에 사용되거나 개시되지 않은 한가지 해결책은, 패키지 본체를 도선의 위에 몰딩하기 전에 접착제 화합물로 전체 리드 프레임을 간단하게 코팅하여, 몰딩 화합물이 경화될 때 접착제가 도선과 몰딩 화합물 사이의 화학적 접합을 이루게 하는 것일 수 있다. 이러한 해결책의 문제점은 도선과 다이 사이에 이루어져야 하는 전기 접속부의 비관적(critical) 성질이다. 접합 위치에서의 도선 표면의 어떠한 오염도, 신뢰성 있는 전기 접속을 발생시키는 와이어 접합 공정을 방해한다. 이 문제는, 몰딩 작업이 완료된 후에 비용이 많이 들고 어려운 세정 공정에 의해서만 해결될 수 있다. 이 문제는 다이와의 전기적 접속을 향상시키도록 은 또는 금과 같은 전기 전도성 소재로 도금되는 도선에서 악화된다.
본 발명은 전자 패키지의 분야에 관한 것이다. 본 발명은 집적 회로 다이를 중공 외장(hollow enclosure)에 배치하는 것을 포함하며, 이 외장은 칩을 주변으로부터 보호하고 외장 외측의 도선으로부터 다이 회로에 전기적으로 접근하게 한다. 구체적으로 말하자면, 본 발명은 일반적으로 수분 및 오염 가스가 침투하는 것에 대항하는 장벽(barrier)으로서의 외장에 관한 것이다.
전술한 문제는, 패키지 벽과 접촉하게 되는 도선의 표면 상의 영역에 열경화 접착제를 선택적으로 도포하고, 뒤이어 도선 둘레에 패키지를 몰딩함으로써 본 발명에 따라 해결된다. 따라서, 접착제는 몰딩 공정 자체에 의해 또는 패키지 본체의 후 경화 중에 경화된다. 접착제는 일단 경화되면 도선과 패키지 본체 사이의 계면에 실질적으로 가스 불투과성의 시일(seal)을 형성하는 소재이다. 최적의 접착제를 선택하거나 접착제를 조합하는 것은, 도선의 금속과 패키지 본체의 열팽창 계수 사이에 차이가 있는 경우에 그 크기에 따른다. 접착제는 열팽창 정도의 차이가 있는 경우에 시일에 탄력을 제공하는데 필요한 열가소성 성분을 포함할 수 있다. 계면을 이루는 금속 상의 이들 영역에 접착제를 국부적으로 도포하면, 도선과 다이 회로 사이에 강한 전기적 접속을 형성하는 능력이 유지된다.
본 발명의 이들 목적 및 다른 목적, 특징 및 장점은 이하의 설명으로부터 보다 명백하다.
전술한 바와 같이, 접착제 또는 접착제의 조성을 최적으로 선택하는 것은 전기 도선 및 패키지 본체로 사용된 소재에 의존한다. 각각에 대하여 매우 다양한 소재가 이용될 수 있으며, 이러한 많은 소재는 전자 소재에 관한 발행된 문헌에 개시되어 있고, 산업계에 그것의 유용성이 공지되어 있다.
도선으로 이용될 수 있는 금속의 예로서는
구리
구리-철 합금 : C19400, C19500, C19700, C19210
구리-크롬 합금 : CCZ, EFTEC 647
구리-니켈-실리콘 합금 : C7025, KLF 125, C19010
구리-주석 합금 : C50715, C50710
구리-지르코늄 합금 : C15100
구리-마그네슘 합금 : C15500
철-니켈 합금 : ASTM F30(Alloy 42)
철-니켈-코발트 합금 : ASTM F15(Kovar)
연강
알루미늄
등이 있으며, 여기서 기호는 미국 오하이오주 머티리얼즈 파크에 소재하는 ASM International이 1989년에 발행한 Electronic Materials Handbook, Vol.1, Minges, M.L., et al eds.에 기재되어 있는 것을 이용하였다.
이들 중 바람직한 것은 구리, 구리가 적어도 95 중량% 이상을 구성하는 구리 함유 합금, 철이 약 50 중량% 내지 약 75 중량%를 구성하는 철-니켈 합금, 철이 약 50 중량% 내지 약 75 중량%를 구성하는 철-니켈-코발트 합금이다. 철-니켈 합금(Alloy 42; 58%의 철과 42%의 니켈)과 철-니켈-코발트 합금(Kovar; 54%의 철과, 29%의 니켈과, 17%의 코발트) 뿐 아니라, 다양한 구리 합금이 특히 관심 대상이다.
패키지 본체 또는 외장 소재로서 사용될 수 있는 소재의 종류에는 열경화성 및 열가소성 소재 모두가 포함된다. 열경화성 소재의 예로서는 에폭시 수지, 개질 에폭시 수지, 폴리우레탄, 폴리이미드, 개질 폴리이미드, 폴리에스테르 및 실리콘이 있다. 열가소성 소재의 예로서는 폴리페닐렌 설파이드, 액정 폴리머, 폴리술폰및 폴리에테르 케톤이 있다. 열경화성 소재는 통상적으로 이송 성형에 의하여 성형되는 반면, 열가소성 소재는 통상적으로 사출 성형에 의하여 성형되지만, 각각에 대하여 상이한 몰딩 방법이 사용될 수 있다.
이들 소재의 중요 파라미터, 즉 사용된 접착제의 선택에 영향을 끼치는 한가지 파라미터는 열팽창 계수("CTE")이며, 그 단위는 ppm/℃(ppm은 중량 기준)로 표시된다. CTE는 사용된 소재에 따라 광범위하게 변화하며, 도선에 대한 CTEs의 범위는 패키지 본체(성형된 플라스틱 외장) 소재에 대한 CTEs의 범위와 중복될 수도 있다. 그러나, 본 발명의 특정 실시예에서 이들 범위는 중복되지 않는다. 예컨대, (도선을 포함한) 리드 프레임이 CTE 범위는 약 5 ppm/℃ 내지 약 15 ppm/℃에 이를 수 있고, 패키지 본체의 소재의 CTE 범위는 경화 시에 약 16 ppm/℃ 내지 약 50 ppm/℃에 이를 수 있다. 선택적으로, 리드 프레임 소재의 CTE와 패키지 본체의 CTE는, 적어도 약 10 ppm/℃ 만큼, 최대값으로는 약 100 ppm/℃, 범위로는 약 20 ppm/℃ 내지 50 ppm/℃ 만큼 상이하다. 이러한 CTEs 값의 차이로 인하여, 접착제 조성에는 접착제 단독 성분 또는 열경화성 접착제 성분과의 혼합물로서 열가소성 성분이 함유되는 것이 바람직하다.
단독 또는 조합되어 접착제로 사용하기에 적합한 특정 수지의 예로는 다음과 같은 것들이 있다.
열경화성 수지 :
D.E.R. 332 : 비스페놀 A를 가진 에폭시 수지(미국 미시간주 미드랜드에 소재하는 Dow Chemical Company로부터 입수 가능)
ARALDITERECN 1273 : 에폭시 크레졸 노볼락(미국 뉴욕주 아드슬리에 소재하는 Ciba-Geigy Corporation으로부터 입수 가능)
ARALDITERMY 721 : 다기능성 액상 에폭시 수지(미국 뉴욕주 아드슬리에 소재하는 Ciba-Geigy Corporation로부터 입수 가능)
QUARTEXR1410 : 비스페놀 A를 가진 에폭시 수지(미국 미시간주 미드랜드에 소재하는 Dow Chemical Company로부터 입수 가능)
EPONR828, 1001F, 58005 : 개질 비스페놀 A 에폭시 수지(미국 텍사스주 휴스턴에 소재하는 Shell Chemical Company로부터 입수 가능)
열가소성 수지 :
페녹시 PKHJ : 페녹시 수지(Phenoxy Associates로부터 입수 가능)
폴리술폰
접착제 합성물은 합성물에 어떠한 다양한 원하는 성질을 제공하도록 하나 이상의 성분을 선택적으로 포함한다. 예로는, 경화제, 소포제, 수분 흡수제(건조제), 및 부피를 증가시키는 충전제가 포함된다. 경화제의 예에는 폴리아민, 폴리아미드, 폴리페놀, 중합체 티올, 폴리카르복실 산, 무수물, 디시안디아미드, 시아노구아니딘, 이미다졸, 및 삼불화 붕소와 아민 또는 에테르의 복합물과 같은 루이스(Lewis) 산 등이 포함된다. 소포제의 예에는 실리콘 수지 및 실란과 같은 소수성 실리카와, 폴리테트라풀루오로에틸렌과 같은 불화탄소와, 에틸렌 디아민 스테아르아미드, 술폰아미드, 탄화수소 왁스 및 고형 지방산과 같은 지방산 아미드와, 에스테르가 포함된다. 수분 흡수제의 예에는 활성 알루미나 및 활성 탄소가 포함된다. 수분 흡수제로서 작용하는 구체적인 제품으로서는 공급자(미국 뉴저지주 저지시에 소재하는 Alpha Metals)가 GA2000-2, SD1000 및 SD800로서 명명한 것들이 있다. 충전제의 예로서는 알루미나, 이산화티탄, 카본 블랙, 탄산 칼슘, 고령토질의 점토, 운모(mica), 실리카, 탈크(talc) 및 목분(wood flour)이 있다.
패키지를 형성하는 몰딩 공정은 널리 공지되어 있고, 널리 사용되고 있으므로, 본 명세서에서 상세하게는 설명하지 않는다. 그러나, 일반적으로, 몰딩은 리드 프레임 조립체 위에서 수행되는데, 이 조립체는, 연결 웹에 의해 결합되고 개별적인 군으로 배열되는 일련의 금속 도선을 포함하며, 각각의 패키지에 대하여 하나의 군이 있으며, 인접 군은 추가의 연결 웹에 의해 연결되는데, 이 웹은 성형이 완료되면 결국은 제거된다. 또한, 조립체는 도선을 따른 특정 위치에 몰딩 화합물에 대한 기계적 정지부로서 작용하는 댐을 포함하여 몰딩 화합물을 한정하는 것을 돕고, 이들 댐도 성형된 패키지가 분리되기 전에 제거된다. 사용된 소재에 따라, 사출 성형, 이송 성형, 삽입 성형 및 반응 사출 성형과 같은 종래의 성형 기술이 채용된다.
접착제는, 패키지 외장의 성형된 플라스틱이 도선과 접촉하게 되는 위치에 상응하는 특정 위치에서 리드 프레임에 도포된다. 접착제는 시스템의 특정 요구에 따라 프레임의 일측 또는 양측에 도포될 수 있다. 도포 방법은, 패키지의 벽에 매립되지 않는 영역에 접착제가 위치하는 것을 실질적으로 방지하도록 원하는 영역에국한된다. 이러한 형태의 국부 도포(localized application)는 종래의 프린팅 또는 스탬핑 공정으로 달성될 수 있으며, 참고로서 본 명세서의 일부를 이루며 Richard J. Ross가 발명하고 1998년 10월 6일 허여된 "반전 스탬핑 공정"이라는 명칭의 미국 특허 제5,816,158호에 개시된 공정 및 장치에 따른 반전 스탬핑 공정에 의해 달성되는 것이 바람직하다.
이하의 예는 단지 예시를 목적으로만 제시되는 것이다.
예
이하에는 열경화성 조성물, 열가소성 조성물 및 이들 두 조성물의 다양한 조합을 나타내는 접착제 조성물의 예가 기재되어 있다.
1. 에폭시 열경화성 접착제
성분 중량부
EPON 828 25
EPON 1001F 50
Dicy CG1400(시아노구아니딘) 5
활석(Talc) 5
이산화티탄 5
Cab-O-SilRM5(훈증 실리카) 10
2. 페녹시 열가소성 접착제
성분 중량부
페녹시 PKHJ 95
활석 3
Cab-O-SilRM5 2
3. 폴리술폰 열가소성 접착제
성분 중량부
폴리술폰(분자량 20,000) 95
이산화티탄 5
4. 복합 에폭시/페녹시 접착제(열경화성 및 열가소성의 조합)
성분 중량부
EPON 828 45
페녹시 PKHJ 45
Dicy CG1400 3
활석 5
카본 블랙 2
5. 복합 에폭시/폴리술폰 접착제(열경화성 및 열가소성의 조합)
성분 중량부
D.E.R.332 30
폴리술폰(분자량 20,000) 60
Dicy CG1400 2
활석 4
Cab-O-SilRM5(배기 실리카) 4
전술한 설명은 주로 예시적인 목적으로 제시된 것이다. 명세서에 개시된 방법에 사용된 소재, 공정, 조건 및 그외의 방법 파라미터는 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 다양한 방식으로 추가로 변형 또는 대체될 수 있다는 것을 당업자는 명백하게 알 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 전기 전도성 금속 도선의 둘레에 성형 플라스틱 외장의 벽을 몰딩함으로써 상기 외장 내에 밀봉되는 다이에 접근할 수 있도록 상기 도선이 침투되는 외장의 형성 방법으로서,
    a) 몰딩 시에 상기 외장의 벽과 접촉하는 상기 도선의 표면 상의 영역에 열경화 접착제를 선택적으로 도포하는 단계와,
    b) 상기 열경화 접착제를 이용하여 상기 외장의 벽을 상기 도선 둘레에 몰딩하는 단계와,
    c) 상기 외장 벽의 몰딩 중에 또는 그 몰딩에 뒤이어 상기 열경화 접착제를 경화시키는 단계
    를 포함하며,
    상기 열경화 접착제는, 경화 시에 실질적으로 가스에 불투과성인 방식으로 상기 도선 둘레에 상기 외장의 벽을 밀봉하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열경화성 접착제는 열경화성 수지, 열가소성 수지 및 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택된 소재인 것을 특징으로 하는 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열경화성 접착제는 에폭시 수지 및 열가소성 수지의 혼합물인 것을 특징으로 하는 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속 도선은 구리, 구리-철 합금, 구리-크롬-합금, 구니-니켈-실리콘 합금, 구리-주석 합금, 구리-지르코늄 합금, 구리-마그네슘-인 합금, 철-니켈 합금, 철-니켈-코발트 합금, 연강 또는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 플라스틱 외장은 열경화성 플라스틱으로 형성되며, 상기 (b) 단계는 상기 외장의 벽을 이송 성형에 의하여 성형하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 플라스틱 외장은 열가소성 플라스틱으로 형성되며, 상기 (b) 단계는 상기 외장의 벽을 사출 성형에 의하여 성형하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 형성 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 열가소성 소재는 폴리페닐렌 설파이드, 액정 폴리머, 폴리술폰, 또는 폴리 에테르 케톤인 것을 특징으로 하는 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 도선 및 상기 성형 플라스틱 외장의 소재는, 경화 시에 서로 적어도 약 10 ppm/℃ 만큼의 차이가 있는 열팽창 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 형성 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 도선은 은 또는 금으로 도금되는 것을 특징으로 하는 형성 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 열경화 접착제는 건조제가 내부에 분산된 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 형성 방법.
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