KR20070057682A - 주석 도금 또는 이로부터 형성된 금속간층을 포함하는리드프레임 - Google Patents

주석 도금 또는 이로부터 형성된 금속간층을 포함하는리드프레임 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 기판을 제공하는 단계, 기판을 주석층으로 도금하는 단계, 주석층 위에 니켈층을 도금하는 단계 및 니켈층 위에 하나 이상의 보호층을 도금하는 단계를 포함하는, 리드프레임의 제조방법에 관한 것이다. 이후, 당해 리드프레임은 가열되어 주석을 포함하는 하나 이상의 금속간층(intermetallic layer)을 생성시킬 수 있으며, 당해 금속간층은 리드프레임의 기저 물질로부터 이의 표면으로의 구리 발산을 지연시킨다.
리드프레임, 금속간층, 도금, 주석층, 니켈층.

Description

주석 도금 또는 이로부터 형성된 금속간층을 포함하는 리드프레임{Leadframe comprising tin plating or an intermetallic layer formed therefrom}
도 1은 에폭시 성형 조성물(EMC)로 부분적으로 성형된 리드프레임 장치의 상면도이다.
도 2는 선행 기술의 3층 예비도금된 리드프레임의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 양태에 따라 구리계 물질과 니켈층 사이에 도금된 주석층으로 패키징된 반도체용 기판으로서 사용된 예비도금된 리드프레임의 단면도이다.
도 4는 주석층과 기판 사이와 주석층과 니켈층 사이에 형성된 금속간층을 갖는 도 3의 예비도금된 리드프레임의 단면도이다.
도 5는 기판과 니켈층 사이에 형성된 하나의 금속간층을 갖는 예비도금된 리드프레임의 단면도이다.
본 발명은 반도체 장치를 제조하는 동안 반도체 또는 집적 회로 칩의 캐리어로서 통상적으로 사용되는 리드프레임, 특히 다수의 도금된 물질층을 포함하는 리드프레임에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조시, 리드 프레임은, 통상 반도체 패키징이라고 지칭되는 단계 동안 다수의 반도체 다이스 또는 칩을 동시에 탑재 및 가공하기 위한 지지체로서 통상적으로 사용된다. 칩을 리드프레임에 탑재한 후, 칩과 리드프레임 사이에 전기접속이 이루어진다. 이어서, 리드프레임의 일부와 칩은 에폭시 성형 조성물(EMC)와 같은 플라스틱 성형 조성물에 의해 케이싱되어 전자 패키지를 형성한다. 이어서, 성형된 전자 패키지는 외부 회로에 반도체 칩을 전기접속하기 위해 탑재될 수 있다.
도 1은 에폭시 성형 조성물(EMC)로 부분적으로 성형된 리드프레임(100)의 입면도이다. 리드프레임 장치(100)는 다수의 와이어(106)를 칩(108)에 결합시키기 위한 다수의 내부 리드(104)를 갖는 리드프레임(102) 형태의 기판을 포함한다. 칩(108)은, 통상 중심에 위치하고 내부 리드(104)에 둘라싸여 있는 다이 패드(110)에 탑재된다. 이어서, 와이어 결합된 리드프레임은 EMC(112)로 캡슐화되어 패키징되며, EMC(112)는 리드프레임 장치(100) 위에 부분적으로 성형된 것으로 보인다. 당해 캡슐화는 다수의 내부 리드(104), 결합된 와이어(106), 칩(108) 및 다이 패드(11)을 밀봉하여 캡슐화된 물질을 전자기파, 오염, 및 기계적, 열적 및 전기적 쇼크와 같은 환경적인 간섭으로부터 보호해야 한다. 리드프레임(102)은 EMC(112)에 의해 밀봉되지 않는 다수의 외부 리드(114)를 추가로 포함한다. 캡슐화된 리드 프레임의 각각의 유니트를 절삭에 의해 캐리어 레일(116)로부터 분리시킨 후, 다수의 외부 리드(114)를 외부 장치에 대한 접속을 요하는 상이한 형태로 형성시킬 수 있다.
반도체 장치가 함께 조립된 다양한 부품을 포함하므로, 리드프레임의 품질 및 신뢰도는 내부 리드(104)와 결합 와이어(106)과의 결합력, 외부 리드(114)와 외부 장치와의 납땜 적성 및 EMC(112)와 리드프레임(102)의 표면과의 밀착력과 같은 특정한 항목을 성취하는 데 있어 중요하다. 품질 및 신뢰도를 증강시키기 위해, 통상, 다수의 물질 코팅을 리드프레임 위에 도금한다. 이러한 리드프레임의 한 가지 형태가 예비도금된 리드프레임(PPF)으로서 통상 지칭된다. 전형적인 양태에서, PPF는 구리(Cu) 또는 구리 합금과 같은 기저 물질을 포함하며, 이는 니켈(Ni)과 같은 상이한 금속과 팔라듐(Pd) 및 금(Au)와 같은 귀금속으로 이루어진 다수의 층으로 도금된다.
반도체 패키징으로부터 납(Pb)을 제거하는 전세계적인 추세로 인해, PPF 기술은 환경 친화적 기술로서 점점 더 대중성을 획득하고 있다. 이는, PPF 리드프레임이 은(Ag)과 주석/납(Sn/Pb) 대신 팔라듐(Pd)으로 도금되기 때문이다. 팔라듐은 하부 도금층을 보호하기에 유용하고 결합력과 납땜 적성을 촉진시키는 작용을 한다. 패키징 공정 전에 전체 리드프레임을 도금하여, 자동화 패키징 공정이 용이하게 수행될 수 있도록 한다. 니켈층 또는 니켈 합금층이 구리 기저 물질과 팔라듐 층 사이에 도금되어 리드프레임의 표면에 대한 구리 확산을 방해함으로써 내식성을 갖는 리드프레임을 제공한다. 구리는 공기와 반응하여 산화구리를 형성하며, 이는 리드프레임의 품질과 신뢰도에 악영향을 미친다.
도 2는 선행 기술의 3층 예비도금된 리드프레임의 단면도이다. 도 2는 구리 또는 구리 합금과 같은 기저 물질로 이루어진 기판(122)을 포함하는 전형적인 3층 PPF 또는 리드프레임(120)을 나타낸다.
니켈층(124)은 기저 물질로부터의 구리 확산을 방해하기 위해 기판(122) 위에 도금된다. 이는 또한 땜납과 와이어 결합부를 궁극적으로 밀착시키는 층이다.
팔라듐(126)에 이어서 금(128)과 같은 귀금속을 포함하는 2개의 층은 와이어 결합 및 납땜이 용이하게 작용하도록 순서대로 도금된다. 이들은 땜납으로의 신속한 확산으로 인해 하부 니켈층이 산화되지 않도록 막고 납땜 적성을 촉진시킨다.
제조업자들이 비용 절감을 위해 도금층을 보다 얇게 만들고자 함에 따라, 불가피하게, 구리 기저 물질이 핀홀 및 과립 경계 형태로 고유의 다공성과 같은 물질 결함을 통해 리드프레임의 표면을 벗어나서 확산하기 쉽다. 도 2에서, 기판(122)으로부터 3층 리드프레임(120)의 표면으로의 구리 이동이 도시된다. 확산된 구리(130)가 리드프레임(120)의 표면에 도달하는 경우, 이는 주변 공기와 접촉시 산화될 것이다. 그 결과, 와이어 결합력과 납땝 적성의 저하가 리드프레임(120)의 표면에서 일어난다.
니켈을 사용하면 이의 바람직한 특성에도 불구하고 원료 및 제조 주기 모두의 견지에서 상기한 리드프레임의 제조단가를 증가시킨다. 니켈 두께의 감소로부터의 또 다른 이점은, 니켈층이 얇아질수록 기저 리드프레임의 표면 조도가 더 증가되는 경향이 있다는 점이며, 이는 통상 리드프레임에 대한 EMC의 밀착성 개선을 위해 의도적으로 도입된다. 그러나, 니켈 사용이 감소되면, 리드프레임 표면으로의 구리 확산 증가로 인해 결합력과 납땜 적성이 저하되기 때문에 신뢰도 문제가 야기된다. 따라서, 본 발명은 구리가 기저 물질로부터 다수의 도금층을 통해 외부로 확산하는 것을 방해하기 위해 기저 물질과 니켈층을 분리하는 추가의 장해물을 도입시킴으로써 적어도 도금층에서 니켈의 사용을 감소시키고자 한다.
본 발명의 목적은 주석 함유 금속간층을 하나 이상 포함하는 예비도금된 리드프레임을 제공하여 리드프레임의 기저 물질이 리드프레임의 외부 표면으로 이동하는 것을 방해하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 본 발명은 기판을 제공하는 단계, 기판을 주석층으로 도금하는 단계, 주석층 위에 니켈층을 도금하는 단계 및 니켈층 위에 하나 이상의 보호층을 도금하는 단계를 포함하는, 리드프레임의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 본 발명은 기판, 기판 위의 니켈층, 기판과 니켈층 사이의 주석층 및 니켈층 위의 하나 이상의 보호층을 포함하는, 리드 프레임을 제공한다.
이후, 본 발명은 도면을 참조로 하여 보다 상세하게 기술될 것이다. 도면과 관련 설명의 세부 사항이 청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 일반적인 넓은 범주를 대신하는 것으로 이해되어서는 안된다.
본 발명에 따르는 리드프레임의 예를 도면을 참조로 하여 기술하고자 한다.
동일한 부분은 동일한 숫자로 나타낸 도면을 참조로 하면, 도 3은, 본 발명의 바람직한 양태에 따르는, 구리 기저 물질과 니켈층 사이에 도금된 주석층으로 패키징된 반도체용 기판으로서 사용된 예비도금된 리드프레임(10)의 단면도이다.
예비도금된 리드프레임(10)은 여러 층의 물질이 도금된 기판(12)을 포함한다. 기판(12)은 바람직하게는 구리 또는 구리 합금으로 이루어진 기저 물질을 포함한다. 주석층(14)은 기판(12) 위에 도금되고, 바람직하게는 20nm 미만의 두께를 갖는다. 보다 바람직하게는, 주석층의 두께는 5nm 미만이다.
이어서, 니켈층(16)을 주석층(14) 위에 도금하며, 도금된 니켈층(16)의 두께는 바람직하게는 50 내지 250nm이다. 바람직하게는 귀금속을 포함하는 하나 이상의 보호층이 니켈층(16) 위에 도금되어야 한다. 예시된 양태에서, 제1 귀금속(예: 팔라듐)으로 이루어진 층(18)을 니켈층(16) 위에 도금하며, 이의 두께는 1 내지 50nm이 바람직하다. 마지막으로, 제2 귀금속(예: 금)으로 이루어진 층(20)을 팔라듐층(18) 위에 도금하며, 이의 두께는 1 내지 50nm이 바람직하다.
각각의 도금층으로 도금된 상술한 리드프레임(10)을 승온에서 가열함으로써, 기판(12)과 니켈층(16) 사이의 주석층(14)으로부터 출발하여, 각각 주석층(14)와 기판(12) 사이의 계면과 주석층(14)와 니켈층(16) 사이의 계면에 하나 이상의 금속간층을 형성시킨다. 일반적으로, 하나 이상의 금속간층의 형성은 온도가 높을수록 가속된다.
도 4는 주석층(14)와 기판층(12) 사이에 형성된 제1 금속간층(22)과 주석층(14)와 니켈층(16) 사이에 형성된 제2 금속간층(24)을 갖는 예비도금된 리드프레임(10)의 단면도이다. 당해 제1 금속간층(22)은 주로 Cu3Sn 및 Cu6Sn5와 같은 구리-주석 화합물을 포함하며, 기판(12)과 주석층(14) 사이에 형성된다. 한편, 제2 금속간층(24)은 주로 Ni3Sn4과 같은 니켈-주석 화합물을 포함하며, 주석층(14)과 니켈층(16) 사이에 형성된다. 이들 사이에서, 미반응 상태로 남아 있는 주석층(14)이 있을 수 있다.
결과적으로, 기판(12)과 니켈층(16) 사이의 중간층은 주석으로 이루어진 적층 구조물과 상이한 조성의 금속간 화합물의 별개의 층들을 포함할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 이는, 주석층(14)이 제1 금속간층(22)과 제2 금속간층(24)를 별개로 인식하기에 충분할 정도의 두께를 갖는 경우에만 이루어질 수 있음을 인지해야 한다.
도 5는 기판(12)과 니켈층(16) 사이에 형성된 하나의 금속간층(26)을 갖는 예비도금된 리드프레임(10)의 단면도이다. 금속간층(26)은 기판(12)과 니켈층(16) 사이에 형성된 구리-주석 화합물(예: Cu3Sn, Cu6Sn5) 및 니켈-주석 화합물(예: Ni3Sn4)을 포함한다. 추가로, (Cu,Ni)6Sn5와 같은 3원 화합물이 존재할 수 있다. 따라서, 금속간층은 Cu3Sn, Cu6Sn5, Ni3Sn4 및 (Cu,Ni)6Sn5로 이루어진 그룹으로부터 선택된 화합물을 포함한다.
발명을 실시하는 데 있어서, 주석층의 두께, 가공 온도 및 가공 시간을 조절하는 등과 같이 파라미터를 적절하게 조합하여, 주석 함유 금속간 화합물의 단일층을 기판(12)이 니켈층(16) 사이에 의도적으로 형성시킬 수 있다. 도 4를 참조하면, 금속간층(22, 24)은 리드프레임이 추가로 가열되는 경우 전형적으로 성장하며, 이들은 주석층(14)을 삼켜버리는 경향이 있다. 최종적으로, 주석 함유 금속간 화합물의 단일층이 형성된다. 또는, 주석 도금이 충분히 얇은 경우, 예를 들면, 두께가 5nm 미만인 경우, 단일 금속간층(26)은 별도의 계면 금속간층(22, 24)을 형성시키지 않으면서 직접 형성될 수 있다. 생성된 금속간층은 가열온도 및 시간에 따라 두께가 가변적이지만, 일반적으로 처음 도금된 주석층보다 두껍다.
도금된 기판 또는 리드프레임의 가열은 리드프레임을 제조하는 동안 혼입되거나 하나 이상의 패키지 공정에 고유한 별개의 공정일 수 있다. 예를 들면, 리드프레임의 가열은 다이 결합, 와이어 결합 및 성형 공정 동안 불가피하게 형성되며, 이러한 공정 동안의 가열은 본원에 기술된 하나 이상의 금속간층을 형성시키기에 충분할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 바람직한 양태에 따르는 이들 리드프레임의 제조 및 사용시, 리드프레임의 선적 및 사용 전에 열처리로 하나 이상의 금속간층을 먼저 형성시킬 필요는 없다. 하나 이상의 금속간층의 형성은 리드프레임 제조 공정의 일부 또는 패키징 공정의 일부로서 수행되어 다양성, 편의 및 선택 범주를 증가시킬 수 있다.
새로운 접근법의 이점은 초박층(가장 바람직하게는, 두께 5nm 미만)으로서 형성될 수 있으며, 이로써 계면을 따라 조밀하고 균일한 3원 (Cu,Ni)6Sn5 또는 기타 주석계 금속간층의 형성을 촉진시킨다. 매우 얇지만 조밀하고 균일한 금속간 계면층은 그 위의 여러 개의 도금층, 즉 니켈층, 팔라듐층 및 금층에 추가해서 효과적인 확산 차단층으로서 작용한다. 이와 같이, 구리의 리드프레임 표면으로의 확산이 크게 감소될 것이다.
본 발명의 바람직한 양태에 따라 제조된 예비도금된 리드프레임(10)의 이점을 입증하기 위해, 당업계에서 채택된 다공도 시험이 당해 리드프레임에 대해 수행되고, 그 결과를 선행 기술의 대조용 리드프레임(120)에 대한 시험 결과와 비교하였다. 리드프레임을 450℃의 온도에서 5분 동안 가열하여 시험된 리드프레임 내의 구리의 확산을 촉진시켰다. 이와 같이 가열된 리드프레임을 황산 속에 침지한 다음, 산 속에 용해된 구리의 양을 측정하였다. 황산에 용해된 구리의 농도가 높을수록 리드프레임의 표면으로 확산하는 구리의 양이 더 커짐을 알 수 있다.
제1 기판 세트("타입-A 리드프레임"으로 지칭됨)를 사용하여, 두께가 5nm 미만인 주석층을 본 발명의 바람직한 양태에 따라 기판 위에 형성시켰다. 선행 기술의 리드프레임을 대조용으로서 사용하였다. 이는 니켈층, 팔라듐층 및 금층 각각에 필적하는 두께를 갖는다. 표 1은 양쪽 리드프레임에 대해 수행된 다공도 시험 결과를 나타낸다.
리드프레임 주석 니켈 팔라듐 금 용해된 Cu의 양
타입-A 리드프레임 < 5nm 207nm 10.0nm 2.1nm 6.2㎍/cm2
선행 기술의 리드프레임 (대조용) 없음 232nm 10.5nm 2.3.nm 22.8㎍/cm2
본 발명의 바람직한 양태에 따라 유사하게 도금된 또 다른 기판 세트("타입-B 리드프레임"으로 지칭됨)에 대해 실험을 반복해서 수행하고, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
리드프레임 주석 니켈 팔라듐 금 용해된 Cu의 양
타입-B 리드프레임 < 5nm 251nm 12.4nm 2.5nm 5.3㎍/cm2
선행 기술의 리드프레임 (대조용) 없음 265nm 14.2nm 2.5.nm 18.0㎍/cm2
표 1 및 표 2에 나타낸 기판의 두께는 각각의 리드 프레임에 대해 3개의 전형적인 위치에서 이루어진 총 6회의 측정치를 평균내어 수득하였다.
타입-A 및 타입-B 리드프레임으로부터 황산 중에 용해된 구리의 질량은 대조용 리드프레임(120)으로부터의 질량의 1/3 미만인데, 이는 예비도금된 리드프레임(10)에 대한 여러 개의 층의 일체성이 선행 기술의 대조용에 비해 크게 개선되었음을 나타낸다. 이는, 주석 박층을 단독으로 도입한 다음, 구리층과 니켈층 사이의 내부에 주석 함유 금속간층들을 형성시킴으로써 달성된다.
각각의 리드프레임에 대해 수행된 기타 시험에서, 본 발명에 따르는 예비도금된 리드프레임(10)은 크게 감소된 양의 니켈을 가짐에도 불구하고 예비도금된 리드프레임의 제조에 사용되는 결합력과 납땜 적성 항목을 합격할 수 있다. 예를 들 면, 니켈 도금의 두께는 단순히 하나 이상의 금속간층을 형성하도록 채택된 추가의 주석층을 사용하는 것만으로도 당업계에서 요구되는 표준을 만족시키는 전형적인 리드프레임에서의 약 500nm로부터 250nm 미만으로 감소될 수 있다. 기저 물질 중의 구리 합금의 구성에 달려 있기는 하지만, 니켈층의 두께는 50 내지 750nm의 범위일 수 있으며, 니켈층은 본 발명의 바람직한 양태에 따르는 방법을 사용하여 선행 기술의 방법에 비해 현저하게 저하될 수 있다. 그러므로, 사용된 도금 물질의 비용 뿐만 아니라 주기 시간 면에서도 절감될 수 있다. 기본 조도에 대한 표면 적합성은 니켈층이 얇게 도금되어 리드프레임에 대한 EMC의 밀착을 촉진시킬수록 용이하게 높아질 수 있다. 이와 같이 명백한 비용면에서의 이점과 기타 이점으로 인해, 본 발명의 바람직한 양태에 따르는 예비도금된 리드프레임(10)은 현재 일반적으로 사용되는 선행 기술의 리드프레임(120)을 대체할 수 있다.
본원에 기술된 발명은 본원에서 특정하게 기술된 것 이외로 변형, 수정 및/또는 추가된 수 있으며, 본 발명은 본 명세서에 기재된 요지 및 범주 내에 속하는 이러한 모든 변형, 수정 및/또는 추가를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (20)

  1. 기판을 제공하는 단계,
    기판을 주석층으로 도금하는 단계,
    주석층 위에 니켈층을 도금하는 단계 및
    니켈층 위에 하나 이상의 보호층을 도금하는 단계를 포함하는, 리드프레임의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 주석을 포함하는 하나 이상의 금속간층(intermetallic layer)을 기판과 니켈층 사이에 형성시키는 단계를 추가로 포함함을 특징으로 하는, 리드프레임의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 하나 이상의 금속간층의 형성 단계가, 도금된 기판을 승온에서 가열하는 단계를 포함함을 특징으로 하는, 리드프레임의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 도금된 기판을 가열하여 하나 이상의 금속간층을 형성하는 단계가 리드프레임의 가열을 수반하는 반도체 패키징 공정 동안 수행됨을 특징으로 하는, 리드프레임의 제조방법.
  5. 제2항에 있어서, 금속간층이 Cu3Sn, Cu6Sn5, Ni3Sn4 및 (Cu,Ni)6Sn5로 이루어 진 그룹으로부터 선택된 화합물을 포함함을 특징으로 하는, 리드프레임의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서, 주석층이 20nm 미만의 두께로 형성됨을 특징으로 하는, 리드프레임의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 주석층이 5nm 미만의 두께로 형성됨을 특징으로 하는, 리드프레임의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 니켈층의 두께가 50 내지 750nm임을 특징으로 하는, 리드프레임의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 하나 이상의 보호층이 두께가 1 내지 50nm인 팔라듐층을 포함함을 특징으로 하는, 리드프레임의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 하나 이상의 보호층이 두께가 1 내지 50nm인 팔라듐층 위에 금층을 추가로 포함함을 특징으로 하는, 리드프레임의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서, 기판이 구리 또는 구리 합금을 포함함을 특징으로 하는, 리드프레임의 제조방법.
  12. 기판,
    기판 위의 니켈층,
    기판과 니켈층 사이의 주석층 및
    니켈층 위의 하나 이상의 보호층을 포함하는, 리드 프레임.
  13. 제12항에 있어서, 각각 주석과 기판과의 반응과 주석과 니켈층과의 반응에 의해 기판과 니켈층 사이에 형성된 하나 이상의 금속간층을 추가로 포함함을 특징으로 하는, 리드프레임.
  14. 제13항에 있어서, 하나 이상의 금속간층이 Cu3Sn, Cu6Sn5, Ni3Sn4 및 (Cu,Ni)6Sn5로 이루어진 그룹으로부터 선택된 화합물을 포함함을 특징으로 하는, 리드프레임.
  15. 제12항에 있어서, 주석층의 두께가 20nm 미만임을 특징으로 하는, 리드프레임.
  16. 제15항에 있어서, 주석층의 두께가 5nm 미만임을 특징으로 하는, 리드프레임.
  17. 제12항에 있어서, 니켈층의 두께가 50 내지 750nm임을 특징으로 하는, 리드프레임.
  18. 제12항에 있어서, 하나 이상의 보호층이 두께가 1 내지 50nm인 팔라듐층을 포함함을 특징으로 하는, 리드프레임.
  19. 제18항에 있어서, 하나 이상의 보호층이 두께가 1 내지 50nm인 팔라듐층 위에 금층을 추가로 포함함을 특징으로 하는, 리드프레임.
  20. 제12항에 있어서, 기판이 구리 또는 구리 합금을 포함함을 특징으로 하는, 리드프레임.
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