KR0152558B1 - 부식 방지용 리드 프레임 및 그 제조방법 - Google Patents

부식 방지용 리드 프레임 및 그 제조방법

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KR0152558B1 KR1019950035095A KR19950035095A KR0152558B1 KR 0152558 B1 KR0152558 B1 KR 0152558B1 KR 1019950035095 A KR1019950035095 A KR 1019950035095A KR 19950035095 A KR19950035095 A KR 19950035095A KR 0152558 B1 KR0152558 B1 KR 0152558B1
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Abstract

본 발명은 구리 합금으로 이루어진 리드 프레임이 반도체 조립 공정 중에서 경화처리, 본딩 공정, 몰딩 공정 등이 진행되면서 산화·부식되는 것을 방지하기 위해서 조립공정 후 패키지의 몸체를 구성하지 아니하는 비기능 부분, 예컨대 사이드 레일 부위에 구리 합금 보다 표준 전극 전위가 더 높은 금속, 예컨대 아연이나 아연-구리 합금 또는 아연-철 합금이 구리 합금과 접촉되도록 함으로써 리드 프레임의 부식을 발생시키는 산화반응이 표준 전극 전위가 더 높은 금속에만 집중되도록 하여 구리 합금 리드 프레임의 부식을 방지할 수 있는 리드 프레임과, 이러한 합금 조성을 분말 합금 제조 방식으로 만드는 리드 프레임 제조 방법을 제공한다.

Description

부식 방지용 리드 프레임 및 그 제조 방법
제1도는 반도체 조립공정에 사용되는 종래 일반적인 구리합금으로 이루어진 리드 프레임을 보여주는 평면도.
제2도는 아연(Zn)과 구리(Cu)를 접촉시켰을 때 일어나는 유전 양극의 메카니즘을 설명하기 위한 도면.
제3도는 본 발명에 따른 구조를 갖는 리드 프레임의 평면도.
제4도는 3% 식염수 내에서 구리(Cu),철(Fe),아연(Zn) 금속의 부식량을 나타내는 그래프.
제5도는 3% 식염수 내에서 서로 다른 2 종류의 금속(Zn-Cu,Zn-Fe)이 접촉되어 있을 때 구리(Cu),철(Fe),아연(Zn) 금속의 부식량을 나타내는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 다이 패드 2 : 타이 바
3 : 내부 리드 4 : 외부 리드
5 : 사이드 레일(side rail) 6 : 리드 프레임 이송용 구멍
7 : 리드 프레임의 기능 부분 10 : 리드 프레임
[산업상 이용분야]
본 발명은 반도체 칩 패키지의 리드 프레임에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 구리 합금으로 이루어진 리드 프레임의 산화와 부식을 방지하기 위해서 리드 프레임의 사이드 레일 부분을 구성하고 있는 리드 프레임의 구리 금속 원자보다 이온화 경향이 더 큰 아연-구리 합금으로 구성함으로써 산화 반응이 아연이나 아연-구리 합금 부분에 집중되도록 한 리드 프레임의 구조 및 리드프레임 제조 방법에 관한 것이다.
[발명의 배경]
반도체 조립 공정에 사용되는 리드 프레임은 반도체 칩을 고정하는 다이 패드와, 외부 회로 기판과 접속하여 전기적 연결을 이루는 리드, 이것들을 반도체 조립 공정으로 유지하기 위한 프레임(frame)을 말한다. 제1도는 반도체 조립공정에 사용되는 종래 일반적인 리드 프레임을 보여주는 평면도이다.
제1도를 참조하면, 리드 프레임(10)은 반도체 칩이 부착되는 다이 패드(1)와, 다이 패드(1)를 지지하는 타이 바(tie bar;2)와, 반도체 칩의 본딩패드(Bonding Pad)와 과 금(Au)등의 재질로 이루어진 와이어로 연결되는 내부 리드(3)와, 외부 회로와 연결되는 외부 리드(4) 및 이를 둘러 싸며 리드 프레임의 외관을 이루는 사이드 레일(side rail;5)로 이루어져 있다. 사이드 레일(5)에는 구멍(6)이 형성되어 있는데 이 구멍(6)은 리드 프레임(10)을 이동시킬 때 이동 장비 등의 이송용구에 적용되는 이송구멍이다. 이점쇄선으로 표시한 부분인 리드 프레임의 기능 부분(7)은 리드 프레임(10)이 반도체 조립공정에서 패키지의 몸체를 형성하는 소위 기능 부분을 나타내고 나머지 부분은 패키지의 몸체를 형성하는 몰딩 공정이 끝난 다음 외부 리드(4)를 절단·절곡하는 공정에서 제거되는 비기능 부분이다.
리드 프레임에 사용되는 재료는 성형 가공에서 조립, 실장, 실제 사용에 이르기까지 전 단계에 걸쳐 요구되는 특성을 만족시킬 필요가 있다. 이러한 특성에는 기계적 강도나 열전도도, 구부리기 가공성 등의 1차 특성과, 스탬핑(stamping)이나 에칭(etching)등의 리드 프레임의 가공에 관한 특성 및 도금성, 본딩성 등의 2차 특성이 있다.
이러한 특성을 만족시키는 재료로서 리드 프레임에 주로 사용되는 재료는 구리 합금과 합금-42(Alloy-42) 가 있다. 과거 리드 프레임의 재료로는 강도 및 스탬핑성 등을 고려하여 다핀 리드 프레임에는 주로 니켈-합금(합금-42)을 많이 사용해왔으나, 현재 니켈 합금과 대등한 고강도 구리 소재의 개발과 리드 프레임 업체의 가공 기술 향상으로 점차 다핀 리드 프레임에서도 구리 리드 프레임의 사용이 급증하고 있는 추세이다. 구리 리드 프레임은 1)높은 전기 전도도로 소자의 속도 향상, 2)높은 열 전도도로 인한 패키지의 방열특성 향상, 3)봉지재료로 사용되는 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC;Epoxy Molding Compound)와 비슷한 열 팽창 계수를 가짐, 4)낮은 원소재 가격에 따른 리드 프레임의 비용 감소 등의 장점이 있다.
그러나 구리 리드 프레임은 산화, 부식이 쉬워서 1)보관이 어렵고, 2)대부분 열과 수분을 동반하는 반도체 조립 공정에서 산화 반응이 활발하게 발생되고, 3)산화 피막에 의한 각종 불량(예컨대, 도금이나 본딩의 불량, 박리현상 등등)발생 및 4)패키지의 신뢰성 저하등의 문제점을 가지고 있기 때문에 품질 및 수율 저하의 큰 원인으로 작용할 수 있다는 단점을 가지고 있다.
이러한 리드 프레임의 산화로 인한 문제를 해결하기 위해서 대부분의 반도체 조립업체에서는 반도체 패키지의 조립 공정에서 발생하는 산화 분위기를 최대한 억제하고자 질소나 수소 기체 등을 사용하기도 하지만 근본적으로 산소의 유입을 완전히 차단하기는 어려운 점이 많다.
[발명의 요약]
본 발명의 목적은 구리 합금으로 이루어진 리드 프레임을 사용할 때 발생되는 여러 가지 공정 문제와 제품의 신뢰성 저하를 방지하기 위해 원자재인 리드 프레임을 개선하여 기존의 구리 리드 프레임의 특성은 그대로 유지하고 산화와 부식의 문제점들을 최대한 억제할 수 있는 새로운 구조를 갖는 리드 프레임 및 이러한 리드 프레임을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위해서 본 발명에서는 소위 희생 양극법을 사용하며, 실제 조립공정 환경에서 피할 수 없는 구리 리드 프레임의 산화 반응을 리드 프레임의 비기능(non-functional)부위, 즉 사이드 레일(side rail)부위(제1도의 이점쇄선 선(7)의 바깥쪽 부위)로 집중시켜서 패키지 조립 완성 후 제품으로 형성되는 기능 부위의 산화를 최대한 억제하는데 그 특징이 있다. 또한 본 발명에 따른 리드 프레임의 제조 방법은 기존의 합금 용융이나 롤링(Rolling)가공과는 달리 각각의 금속을 분말의 형태로 원하는 조성으로 섞어서 압축·소결시키는 분말 합금 제조 방법을 사용하는 것을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조로 본 발명을 상세하게 설명한다.
금속 표면의 산화막은 기체 산소에 의한 전기 화학적 반응에 의해 형성되며, 이 반응은 아래의 반응식과 같이 고온 건조 상태의 화학적 산화로 볼 수 있다.
금속의 산화）M → M2++ + 2e-
산소의 환원）1/2 O2+ 2e-→ O2-
산화물 형성）M2+++ O2+→ MO
그런데 서로 다른 종류의 금속이 서로 접촉되어 있거나 도선으로 연결되어 있을 때 연결된 금속은 표준 전극 전위와 갈바닉 시리즈(Galvanic series)의 전위열에 따라 전위차가 발생하여 각각 양극과 음극으로 작용하게 된다. 표준 전극 전위와 갈바닉 시리즈를 아래에 나타낸다.
〈표준 전극 전위〉
(-극)Au-Pt-Pd-Au-Hg-Cu…Zn-Mn-Al-Mg-Be-Na-K(+극)
〈갈바닉 시리즈〉
(-극)Pt-Au-Ag-Cu-황동-Ni…Al-Zn-Mg합금-Mg(+극)
제2도는 아연(Zn)과 구리(Cu)를 접촉시켰을 때 두 금속에서 일어나는 유전 양극 메카니즘을 설명하기 위한 도면이다. 표준 전극 전위와 갈바닉 시리즈는 전위열에 있어서 다소 차이가 있지만, Cu와 Zn을 접촉시킨 경우에는 공통적으로 Zn이 양극으로 작용하고 Cu는 음극으로 작용한다. 아연(Zn)의 표준 전극 전위는 0.762V이고 구리(Cu)의 표준 전극 전위는 -0.345V로서, Zn은 전자를 내어놓고 산화반응을 하여 Zn++이온으로 바뀐다. 전자는 음극인 구리쪽으로 이동하여 공기 중의 H2O가 2OH-로 바뀐다. 2OH-이온은 아연 이온(Zn++)과 반응하여 양극과 음극의 경계, 부분, 즉 제2도의 점선으로 표시한 부분에서 아연을 산화시킨다.
이러한 반응은 아연이 구리보다 이온화 경향이 훨씬 크기 때문에 기체 산소가 필요로 하는 전자를 모두 아연이 제공함으로써 금속 구리 원자는 이온으로 변하지 않고 대신 아연이 이온화 되어 산화 반응이 진해되는 것을 희생 양극법이라 한다.
이러한 희생 양극법을 적용하기 위한 본 발명에 따른 리드 프레임의 구조는 제3도에 나타낸다. 제3도는 본 발명에 따른 리드 프레임의 평면도이다. 제3도에서 구간 A는 제1도의 리드 프레임과 동일하므로 구성 부분에 대한 자세한 설명은 생략한다. 다만 사이드 레일 부분은 구간 B와 C만큼 더 길어진다. 본 발명의 일실시예로서 구간 B는 아연-구리(Zn-Cu) 합금으로 이루어져 있고, 구간 C는 아연(Zn)으로 이루어져 있다.
이렇게 기존의 리드 프레임의 비기능 부분 즉, 사이드 레일 부분을 구리보다 이온화 경향이 더 큰 금속 또는 그 합금으로 이루어지도록 하면, 제2도를 참조로 설명한 바와 같이 산화 반응이 이온화 경향이 더 큰 금속(예컨대 Zn)에 집중되어 일어나기 때문에 구리 리드 프레임의 부식을 방지하는 것이 가능하다.
제3도의 리드 프레임을 실현하는 방법으로는 리드 프레임의 사이드 레일 부위에 아연(Zn) 또는 아연-구리(Zn-Cu) 합금을 도포하는 방법이 있고, 리드 프레임의 사이드 레일 부위와 기능 부위가 아연(Zn) 또는 아연-구리(Zn-Cu) 합금과 구리(Cu)의 서로 다른 금속이 접하도록 구성하는 2가지 방법이 있다. 그러나 제3도와 같은 리드 프레임을 생산하기 위해서는 기존의 제련 및 냉간, 열간 가공 방법(주로 롤링 (rolling) 공정)으로는 원하는 합금을 얻을 수 없다. 따라서 본 발명에 따른 리드 프레임을 제조하기 위해서는 원하는 부위, 원하는 합금 조성을 제어할 수 있는 분말 합금 제조 방법을 따라야 한다. 분말 합금 제조 방법은 합금 용융이나 롤링 등의 기존의 제련 방식과는 달리 각각의 금속을 분말(powder) 형태에서 원하는 조성으로 섞어서 압축, 소결시키는 방법이다.
제4도와 제5도는 3% 식염수에서 단독 금속과 2종류의 금속을 접촉하였을 때 금속의 부식 정도를 비교하기 위한 그래프이다. X-축은 시간을 나타내며 단위는 일(day)이고, Y-축은 부식량을 나타내며 단위는 CC/cm2×10-3이다.
제4도에서 ○는 아연(Zn)의 부식량을 나타내고, △는 철(Fe), □는 구리(Cu)의 부식량을 각각 나타낸다. 시간이 경과함에 따라서 아연(Zn)의 부식량이 현저하게 증가함을 알 수 있다.
한편 제5도는 아연(Zn), 철(Fe), 구리(Cu) 중에서 두가지 금속을 접촉시켰을 경우의 부식량을 나타내는데, ○는 아연-구리(Zn-Cu)를 접촉시킨 경우에 아연(Zn)의 부식량을 나타내고, ⊙는 아연-철(Zn-Fe)을 접촉시킨 경우에 아연(Zn)의 부식량을 나타낸다. 이에 비해서 △는 아연-구리(Zn-Cu)를 접촉시킨 경우에 구리(Cu)의 부식량을 나타내고 □는 아연-철(Zn-Fe)을 접촉시킨 경우에 철(Fe)의 부식량을 나타낸다. 제5도에서 알 수 있는 바와 같이 아연-구리(Zn-Cu)를 접촉시킨 경우에는 구리의 부식량보다 아연의 부식량이 절대적으로 많음을 알 수 있다. 이것은 앞에서 설명한 것처럼, 산화반응이 아연 금속에서 집중적으로 일어나기 때문이다.
이렇게 리드 프레임을 구성하는 금속 원자보다 이온화 경향이 더 큰 금속(또는 이의 합금)을 리드 프레임의 비기능 부분에 접촉·형성되도록 함으로써 리드 프레임의 기능 부분에서 산화 반응이 일어나는 것을 억제하여 리드 프레임의 부식을 방지하는 것이 가능하다. 특히 반도체 조립 공정에서 산화 반응이 가장 활발하게 일어날 수 있는 공정, 예를 들어 다이 어태치 후 접착제를 굳게 만드는 경화처리(curing), 반도체 칩과 리드 프레임의 내부 리드를 전기적으로 연결하는 본딩(bonding), 또는 패키지의 몸체를 형성하기 위해 고온·고압하에서 진행되는 몰딩(molding) 공정에서 발생하는 리드 프레임의 부식 면적은 본 발명을 적용하지 아니한 경우에 비해서 약1/10 정도로 감소하였다.
이상 도면을 참조로 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 도면에 도시되어 있는 것은 예시적인 것에 불과하며 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어서, 제3도와 관련된 설명 부분에서 구리 리드 프레임의 금속 보다 이온화 경향이 큰 금속으로 아연(Zn)을 예로 들어 설명하였지만, 아연 이외의 금속 재료를 사용할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

Claims (8)

  1. 반도체 칩이 실장되는 실장 영역과 상기 반도체 칩과 전기적으로 연결되는 리드를 포함하며 상기 반도체 칩의 패키지가 완료된 다음에 패키지의 일부를 구성하는 기능 부분과, 상기 기능 부분을 둘러 싸고 있으며 리드 프레임의 외관을 이루는 비기능 부분을 구비하는 리드 프레임에 있어서, 상기 기능 부분은 제1금속으로 이루어져 있고, 상기 비기능 부분은 상기 제1금속과 제2금속이 접해 있으며, 상기 제2금속은 상기 제1금속보다 표준 전극 전위가 더 높은 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비기능 부분은 상기 리드 프레임의 이송을 위한 이송 구멍을 포함하는 사이드 레일(side rail)인 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1금속은 구리 합금이며, 상기 제2금속은 아연인 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
  4. 제3항에 있어서, 상기 구리 합금과 아연 사이에는 아연-구리 합금이 존재하는 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
  5. 반도체 칩이 실장되는 실장 영역과 상기 반도체 칩과 전기적으로 연결되는 리드를 포함하며 상기 반도체 칩의 패키지가 완료된 다음에 패키지의 일부를 구성하는 기능 부분과, 상기 기능 부분을 둘러 싸고 있으며 리드 프레임의 외관을 이루는 비기능 부분을 구비하는 리드 프레임을 제조하는 방법에 있어서, 제1금속 재료를 스탬핑(stamping)하여 상기 기능 부분과 상기 비기능 부분을 형성하는 단계와, 상기 비기능 부분의 끝부분에 상기 제1금속 재료보다 표준 전극 전위가 더 높은 제2금속 재료를 제1금속과 접하도록 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 리드 프레임 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1금속 재료는 구리 합금이며, 제2금속 재료는 아연인 것을 특징으로 하는 리드 프레임 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2금속 재료를 형성하는 단계는 제1금속과 제2금속의 합금을 제1금속과 접하도록 형성하는 단계와, 제2금속 재료를 상기 제1,2 합금과 접하도록 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 리드 프레임 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1, 제2 금속은 분말 형태에서 섞인 다음 압축·소결되는 것을 특징으로 하는 리드 프레임 제조 방법.
KR1019950035095A 1995-10-12 1995-10-12 부식 방지용 리드 프레임 및 그 제조방법 KR0152558B1 (ko)

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