KR20090131633A - 미리 제조된 리드 프레임 및 이를 이용한 접합 방법 - Google Patents

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KR20090131633A
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이재성
치안 왕
젠킹 자오
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Abstract

본 발명은 칩과 기판을 접합하기 위한 미리 제조된 리드 프레임 및 미리 제조된 리드 프레임을 이용한 접합 방법을 제공한다. 칩과 기판을 접합하기 위한 미리 제조된 리드 프레임은 내부링, 외부링, 및 복수개의 와이어들을 구비하고, 각 와이어의 내부 단부 및 외부 단부는 내부링 및 외부링에 각각 연결되고, 및 미리 제조된 리드 프레임은 칩 및 접합될 기판에 대응되는 와이어 모양을 가진다. 미리 제조된 리드 프레임은 제조 효율을 향상시키기 위해 배치 제조로 만들어질 수 있고, 미리 제조된 리드 프레임은 일반적인 와이어 접합을 대체할 수 있다.

Description

미리 제조된 리드 프레임 및 이를 이용한 접합 방법{prefabricated lead frame and bonding method using the same}
본 발명은 리드 프레임(lead frame) 및 접합(bonding) 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일반적인 와이어 접합을 대신하기 위한 미리 제조된 리드 프레임 및 미리 제조된 리드 프레임을 이용한 접합 방법에 관한 것이다.
와이어 접합(wire bonding)은 반도체 소자의 일반적인 배선(interconnection) 방법이다. 와이어 접합은 반도체 칩의 패드를 전자 패키지 케이스의 입출력 와이어(I/O wire)나 기판 상의 배선 패드에 금속 와이어를 이용하여 연결하는 공정 기술이다. 반도체 패키지 공정에 있어서, 와이어 접합 공정은 통상 제1 레벨 패키지, 즉, 칩 패드와 기판 패드 사이의 접속을 금 와이어들로 하는 것에 사용된다.
도 1은 일반적인 와이어 접합 후의 패키지 구조를 설명하는 개략도이다.
구체적으로, 도 1의 패키지는 칩(2), 즉 반도체 칩을 금 와이어들(1)로 기판(3)에 전기적으로 연결하는 구조이다. 기판(3) 상에 접착층(5)을 개재하여 칩(2)이 부착되어 있다. 칩(2)은 금 와이어들(1)로 기판 패드(6)와 연결되고, 기판 패드(6)는 볼 랜드(7) 및 솔더볼(9)과 연결된다. 도 1에서, 참조번호 11은 절연층을 나타낸다. 칩(2), 금 와이어들(1), 및 기판(3)의 표면은 봉지재(13)에 의하여 보호된다.
도 2는 일반적인 와이어 접합 공정의 흐름을 설명하는 도면이다.
구체적으로, 도 1은 일반적인 와이어 접합 장치를 이용한 와이어 접합 공정을 설명하기 위한 것이다. 와이어 접합 장치는 금 와이어(23)가 통과하는 캐필러리 장치(capillary tool) 및 금 와이어(23)를 잡는 클램프(clamp, 25)를 포함한다. 공정(1)은 다음 접합(bonding) 공정, 즉 칩 패드(27) 상에 접합을 준비하는 단계이다. 공정 (2)은 금 와이어(21)의 전단부에 형성된 볼(ball)과 칩 패드(27)의 접합(bonding)을 하는 단계이다.
공정 (3)은 금 와이어(23)의 와이어 모양을 형성하는 단계이다. 공정 (4)은 참조번호 29로 표시한 바와 같이 금 와이어(23)와 기판 패드(미도시)의 접합을 하는 단계이다. 공정 (5)은 금 와이어(23)의 꼬리(tail)를 자르는 단계이다. 공정 (6)은 다음 접합을 위하여 금 와이어(23)의 전단부에 볼(31)을 형성하는 단계이다.
도 2에 설명된 바와 같이, 일반적인 와이어 접합 공정은 금 와이어(23)를 복수개의 칩 패드들(27)나 기판 패드들에 하나 하나 접합(bonding)하기 때문에 제조 수율이 많이 떨어진다. 또한, 일반적인 와이어 접합 공정은 패키지 공정들중 시간을 가장 많이 소비하기 때문에 패키지의 제조 비용을 크게 높이게 된다. 그리고, 일반적인 와이어 접합 공정은 금 와이어를 사용하기 때문에 제조 비용을 크게 증가시킨다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 배치 단위(batch production)로 제조되어 낮은 단가를 가질 수 있고 일반적인 와이어 접합 공정을 대체하는데 사용할 수 있는 미리 제조된 리드 프레임을 제공하는 데 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 상술한 미리 제조된 리드 프레임을 이용한 접합 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 칩과 기판을 접합하기 위한 미리 제조된 리드 프레임을 제공하되, 미리 제조된 리드 프레임은 내부링, 외부링, 및 복수개의 와이어들을 구비하고, 각 와이어의 내부 단부 및 외부 단부는 내부링 및 외부링에 각각 연결되고, 및 미리 제조된 리드 프레임은 칩 및 본딩될 기판에 대응되는 와이어 모양을 가진다.
바람직하게, 미리 제조된 리드 프레임은 구리로 형성되어 있을 수 있다. 내부링 및 외부링은 사각형(square) 모양으로 이루어질 수 있다. 또한, 와이어 모양을 갖는 미리 제조된 리드 프레임은 펀칭 또는 에칭 공정을 통해 형성되어 있다.
상술한 해결하고자 하는 다른 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 미리 제조된 리드 프레임을 이용하여 칩과 기판을 접합하는 방법을 제공한다. 미리 제조된 리드 프레임은 내부링, 외부링, 및 복수개의 와이어들을 구비하고, 각 와이어의 내부 단부 및 외부 단부는 내부링 및 외부링에 각각 연결되고, 및 미리 제조된 리드 프레 임은 칩 및 본딩될 기판에 대응되는 와이어 모양을 가진다.
접합 방법은 내열 기판(heat resistant substrate) 상에 범프들을 형성하고, 범프들의 배열은 미리 제조된 리드 프레임의 상기 복수개의 와이어들의 내부 단부들 및 외부 단부들의 위치들에 대응하게 하는 단계와, 상기 복수개의 와이어들의 내부 단부들 및 외부 단부들을 범프들과 얼라인하고, 범프들을 복수개의 와이어들의 내부 단부들 및 외부 단부들 상으로 이동시키는 단계와, 미리 제조된 리드 프레임 상으로 이동된 범프들을 상기 칩 상의 패드들 및 본딩될 기판과 얼라인시키고, 및 상기 칩과 기판을 접합하는 단계와, 미리 제조된 상기 내부링 및 외부링을 절단하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 범프들은 금으로 형성되어 있을 수 있다. 범프들은 열 압력 접합(thermo-compression bonding)을 통해 내열 기판으로부터 복수개의 와이어들의 내부 단부들 및 외부 단부들 상으로 이동될 수 있다. 칩과 기판을 접합할 때, 상기 리드 프레임 상의 범프들과 상기 칩 및 기판 상의 패드들 사이의 접합은 열 및 음파 접합, 또는 초음파 열 압력 접합을 통해 얻어질 수 있다.
본 발명의 미리 제조된 리드 프레임은 제조 효율을 향상시키기 위해 배치 제조로 만들어질 수 있고, 미리 제조된 리드 프레임은 일반적인 와이어 접합을 대체할 수 있다. 다시 말해, 본 발명은 높은 패키지 집적도 및 낮은 비용을 갖는 미리 제조된 리드 프레임을 제공하고, 미리 제조된 리드 프레임을 이용한 본딩 공정은 제조 효율을 증가시킬 수 있고, 제조 비용을 줄일 수 있다.
본 발명은 칩(반도체 칩)과 기판(배선 기판)과의 와이어 접합(bonding)을 대체하기 위하여 미리 제조된 리드 프레임(prefabricated lead frame)을 포함한다. 본 발명에서 리드 프레임이라는 용어는 칩(반도체 칩)과 기판(배선 기판)을 연결한다는 의미로 사용한 것으로, 통상적인 리드 프레임은 아니다. 본 발명의 미리 제조된 리드 프레임은 배치 제조(batch production)로 만들어질 수 있으며, 이하에서는 편의상 하나만을 도시한다.
미리 제조된 리드 프레임이라는 용어는 칩과의 연결할 때 미리 제조된다는 것을 의미하는 것이어서, 리드 프레임이라는 용어로 통칭해도 무방하다. 본 발명은 미리 제조된 리드 프레임을 이용하여 칩과 기판을 연결하는 제1 레벨 패키지를 주로 설명한다. 물론, 제1 레벨 패키지를 이용하여 다층 패키지를 구현할 수 도 있다.
이상과 같은 발명 사상을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 이하 도면들에서, 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 미리 제조된 리드 프레임을 보여주는 3차원 구조도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 미리 제조된 리드 프레임(prefabricated lead frame, 100)은 외부링(51, outer ring), 내부링(53, inner ring), 외부링(51) 및 내부링(53) 사이를 연결하는 복수개의 와이어들(55, wires)을 포함한다. 외부링(51) 및 내부링(53)은 와이어들(55)을 지지하고, 리드 프레임(100) 자체의 고정 및 이동이 용이하게 하기 위한 부재이다. 와이어들(55)의 내부 단부들(55b, inner ends) 및 외부 단부들(55a, outer ends)은 각각 내부링(53) 및 외부링(51)에 연결된다.
미리 제조된 리드 프레임(prefabricated lead frame, 100)을 구성하는 외부링(51), 내부링(53), 복수개의 와이어들(55)은 구리로 형성하나, 도전성을 갖는 물질이라면 다른 물질로 형성할 수 도 있다. 본 실시예에서, 내부링(51) 및 외부링(53)이라는 용어를 사용하였으나, 내부 프레임 및 외부 프레임이라는 용어를 사용할 수도 있다.
미리 제조된 리드 프레임(100)은 칩(반도체 칩, 미도시) 및 접합될 기판에 대응하도록 와이어 모양(형태)을 갖는다. 물론, 미리 제조된 리드 프레임(100)은 칩 및 접합될 기판에 대응하도록 내부링(53), 외부링(51) 및 와이어들(55) 모양을 갖는다. 본 발명의 실시예에 따르면, 미리 제조된 리드 프레임(100)의 와이어 모양은 칩 및 접합될 기판의 모양들과 칩 및 기판의 배열에 따른다.
후에 보다 자세하게 설명하는 바와 같이 복수개의 와이어들(55)은 소정의 모양으로 구부러져 칩 및 기판의 배열에 적합하게 구성된다. 본 실시예에서, 와이어 들(55)의 내부 단부들(55b)은 칩(반도체 칩) 상의 패드들(칩 패드들, 미도시)과 접합되고, 와이어들(55)의 외부 단부들(55a)은 기판 상에 패드들(기판 패드들, 미도시)과 접합되고, 칩은 기판 상에 배치된다. 그러므로, 미리 제조된 리드 프레임(100)의 3차원 구조에 있어서, 내부링(53) 및 외부링(51)은 동일 평면에 위치하지 않고, 와이어들(55)은 칩 및 기판의 배열에 해당하는 소정의 형태로 구부러져 있다.
그리고, 내부링(53) 및 외부링(51)의 모양은 칩 및 기판의 모양들에 따른다. 본 실시예에서, 칩 및 기판이 사각형이면 외부링(51) 및 내부링(53)도 사각형일 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 실시예에서, 와이어들(55)은 구리로 만들어지나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 와이어들(55)을 구리로 형성할 경우 금으로 형성할 때 보다 기계적 강도가 크기 때문에, 후의 몰딩 공정에서 와이어들(55)의 모양이 변경되지 않는다. 본 실시예에서, 소정의 모양을 갖는 미리 제조된 리드 프레임(100)은 펀칭 또는 에칭 공정에 의해 형성될 수 있다.
도 4 내지 7은 본 발명의 실시예에 따라 미리 제조된 리드 프레임(100)을 이용하여 칩과 기판을 접합하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4는 내열 기판(59) 상에 형성된 범프들(57)이 형성되어 있는 것을 보여주는 개략도이다.
도 4를 참조하면, 범프들(57)이 내열 기판(59, heat-resistant substrate), 예컨대, 유리 기판 상에 형성되어 있다. 내열 기판(59)을 구성하는 유리 기판은 범프들(57)이 쉽게 벗겨질 수 있는 기판이다. 내열 기판(59)은 제1 평면(P1)을 갖는 제1 부재(59a)와 제1 부재(59a) 내에 제1 평면(P1)보다 높은 위치에 제2 평면(P2)을 갖는 제2 부재(59b)로 구성된 3차원 형태로 이루어진다.
범프들(57)의 위치는 미리 제조된 리드 프레임(도 3의 100)의 내부 단부들(도 3의 55b) 및 외부 단부들(도 3의 55a)의 위치에 대응되도록 형성된다. 범프들(57)은 내열 기판(59)의 제1 평면(P1)에 형성되는 제1 범프들(57a)과 내열 기판(59)의 제2 평면(P2)에 형성되는 제2 범프들(57b)로 구성된다.
제1 범프들(57a)은 미리 제조된 리드 프레임(도 3의 100)의 외부 단부들(도 3의 55a)에 대응되도록 형성되고, 제2 범프들(57b)은 미리 제조된 리드 프레임(100)의 내부 단부들(도 3의 55b)의 위치에 대응되도록 형성된다. 범프들(57)은 사진(lithography) 및 전기 도금 방법을 통해 형성된다. 본 실시예들에서, 범프들(57)은 금(Au)으로 형성될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다른 도전층으로 형성할 수도 있다.
도 5는 미리 제조된 리드 프레임(100)과 내열 기판(59)의 결합을 보여주는 개략도이고, 도 6은 범프들(59)이 미리 제조된 리드 프레임(100) 상으로 이동된(이송된) 개략도이다. ,
도 5를 참조하면, 미리 제조된 리드 프레임(100)은 범프들(57)이 형성된 내열 기판(59) 상에 배치한다. 미리 제조된 리드 프레임(100)의 와이어들(55)의 내부 단부들(55b) 및 외부 단부들(55a)은 내열 기판(59)의 범프들(57)과 얼라인(정렬)한다.
본 실시예에서, 내열 기판(59)은 칩 및 접합(bonding)될 기판과 동일한 모양 을 갖는다. 앞서 설명한 바와 같이 내열 기판(59)은 칩 및 접합될 기판에 대응하여 3차원 구조를 갖는다. 본 실시예에서, 와이어들(55)의 내부 단부들(55b) 및 외부 단부들(55a)에 대응하는 범프들(57a, 57b)은 하나의 평면내에 위치하지 않는다. 그러나, 본 발명은 미리 제조된 리드 프레임(100)의 소정의 와이어들(55)의 형태(모양), 위치 및 높이에 따라 범프들(57a, 57b)이 하나의 평면내에 위치하게 할 수 도 있다. 따라서, 범프들(57a, 57b)의 형태, 모양, 위치 등이 변경되더라도 본 발명의 범위 내에 포함된다.
미리 제조된 리드 프레임(100)의 와이어들(55)의 내부 단부들(55b) 및 외부 단부들(55a)과 내열 기판(59)의 범프들(57)과 얼라인 후에, 도 6에 도시한 바와 같이 범프들(57)과 와이어들(55)의 내부 단부들(55b) 및 외부 단부들(55a)과의 접합을 통하여 범프들(57)은 와이어들(55) 위로 이동(이송)된다. 범프들(57)은 열 압력 접합(thermo-compression bonding)을 통해 내열 기판(59)으로부터 와이어들(55) 위로 이동한다. 열 압력 접합은 열 및 압력 에너지를 이용하여 범프들(57)을 와이어들(55) 상에 접합하는 것이다.
이에 따라, 도 6에 도시한 바와 같이 미리 제조된 리드 프레임(도 3의 100)의 와이어들(55)의 외부 단부들(55a)의 배면에는 제1 범프들(57a)이 형성되고, 미리 제조된 리드 프레임(100)의 와이어들(55)의 내부 단부들(55b)의 배면에는 제2 범프들(57b)이 형성된다.
도 7은 칩(61)이 미리 제조된 리드 프레임을 이용하여 기판(63)과 접합된 개략도이다.
도 7을 참조하면, 범프들(57)이 형성된 리드 프레임(100)은 칩(61, 반도체 칩) 및 접합될 기판(63, 배선 기판)의 구조물 상에 위치시킨다. 리드 프레임(100) 상의 범프들(57)은 칩(61) 및 기판(63) 상의 패드들(미도시)과 얼라인되도록 위치시킨다. 이에 따라, 칩(61)과 기판(63) 사이는 접합되고, 칩(61)과 기판(63)간의 전기적 연결이 얻어진다.
와이어들(55)의 내부 단부들(55b) 상에 형성된 범프들(57b)은 칩(61) 상의 패드들(칩 패드들, 미도시)과 접합되고, 와이어들(55)의 외부 단부들(55a) 상에 형성된 범프들(57a)은 기판(63) 상의 패드들(기판 패드들, 미도시)과 접합된다. 와이어들(55)의 배면 상의 범프들(57)과 칩(61) 및 기판(63) 상의 패드들 사이의 접합은 열 및 음파 접합(thermosonic bonding)이나 초음파 열 압력(ultrasonic thermo-compression) 접합을 통해 얻어질 수 있다. 열 및 음파 접합은 열 및 음파를 이용하여 접합하는 것이고, 초음파 열 압력 접합은 초음파, 열 및 압력 에너지를 이용하여 접합하는 하는 것이다.
와이어들(55) 배면 상의 범프들(57)과 칩(61) 및 기판(63) 상의 패드들 사이의 접합 후에, 미리 제조된 리드 프레임(100)의 내부링(53) 및 외부링(51)은 절단된다. 이에 따라, 본 발명은 와이어 접합을 통한 칩(61)과 기판(63)간의 접합 구조가 형성된다. 접합 구조가 완성된 기판(63), 칩(61), 와이어들(55)의 전면을 보호하도록 몰딩 공정을 수행하여 봉지재(미도시)를 형성함으로써 패키지를 완성할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 높은 패키지 집적도 및 낮은 비용을 갖는 미리 제조 된 리드 프레임을 제공한다. 본 발명은 미리 제조된 리드 프레임을 이용하여 접합 공정을 수행하기 때문에 제조 효율을 증가시킬 수 있고, 제조 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 일반적인 와이어 접합 후의 패키지 구조를 설명하는 개략도이다.
도 2는 일반적인 와이어 접합 공정의 흐름을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 미리 제조된 리드 프레임을 보여주는 3차원 구조도이다.
도 4 내지 7은 본 발명의 실시예에 따라 미리 제조된 리드 프레임을 이용하여 칩과 기판을 접합하는 방법을 설명하기 위한 도면들이다.

Claims (10)

  1. 칩과 기판을 접합하기 위한 미리 제조된 리드 프레임에 있어서,
    상기 미리 제조된 리드 프레임은 내부링, 외부링, 및 복수개의 와이어들을 구비하고, 각 와이어의 내부 단부 및 외부 단부는 상기 내부링 및 외부링에 각각 연결되고, 및 상기 미리 제조된 리드 프레임은 칩 및 접합될 기판에 대응되는 와이어 모양을 가지는 것을 특징으로 하는 미리 제조된 리드 프레임.
  2. 제1항에 있어서, 상기 미리 제조된 리드 프레임은 구리로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미리 제조된 리드 프레임.
  3. 제1항에 있어서, 상기 내부링 및 외부링은 사각형(square) 모양으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 미리 제조된 리드 프레임.
  4. 제1항에 있어서, 상기 와이어 모양을 갖는 미리 제조된 리드 프레임은 펀칭 또는 에칭 공정을 통해 형성된 것을 특징으로 하는 미리 제조된 리드 프레임.
  5. 미리 제조된 리드 프레임을 이용한 칩과 기판을 접합하는 방법에 있어서,
    상기 미리 제조된 리드 프레임은 내부링, 외부링 및 복수개의 와이어들을 구비하고, 각 와이어의 내부 단부 및 외부 단부는 상기 내부링 및 외부링에 각각 연 결되고, 및 미리 제조된 리드 프레임은 칩 및 본딩될 기판에 대응되는 와이어 모양을 가지며,
    상기 접합 방법은 내열 기판(heat resistant substrate) 상에 범프들을 형성하고, 범프들의 배열은 상기 미리 제조된 리드 프레임의 상기 복수개의 와이어들의 내부 단부들 및 외부 단부들의 위치들에 대응하게 하는 단계와,
    상기 복수개의 와이어들의 내부 단부들 및 외부 단부들을 범프들과 얼라인하고, 상기 범프들을 복수개의 와이어들의 상기 내부 단부들 및 외부 단부들 상으로 이동시키는 단계와,
    미리 제조된 리드 프레임 상으로 이동된 범프들을 상기 칩 상의 패드들 및 본딩될 기판과 얼라인시키고, 및 상기 칩과 기판을 접합하는 단계와,
    미리 제조된 상기 내부링 및 외부링을 절단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미리 제조된 리드 프레임을 이용한 칩과 기판을 접합하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 범프들은 금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미리 제조된 리드 프레임을 이용한 칩과 기판을 접합하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 범프들은 열 압력 접합(thermo-compression bonding)을 통해 상기 내열 기판으로부터 상기 복수개의 와이어들의 내부 단부들 및 외부 단부들 상으로 이동되는 것을 특징으로 하는 미리 제조된 리드 프레임을 이용한 칩과 기판을 접합하는 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 칩과 기판을 접합할 때, 상기 리드 프레임 상의 범프들과 상기 칩 및 기판 상의 패드들 사이의 접합은 열 및 음파 접합 또는 초음파 열 압력 접합을 통해 얻어지는 것을 특징으로 하는 미리 제조된 리드 프레임을 이용한 칩과 기판을 접합하는 방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 미리 제조된 리드 프레임은 구리로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 미리 제조된 리드 프레임을 이용한 칩과 기판을 접합하는 방법.
  10. 제5항에 있어서, 상기 내열 기판은 유리 기판인 것을 특징으로 하는 미리 제조된 리드 프레임을 이용한 칩과 기판을 접합하는 방법.
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