KR100825780B1 - 레이저 솔더링을 이용한 리드프레임형 적층패키지의 제조방법 - Google Patents

레이저 솔더링을 이용한 리드프레임형 적층패키지의 제조방법 Download PDF

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Abstract

반도체 모듈에 양호하게 접속될 수 있는 리드프레임형 적층 패키지 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명에 따른 리드프레임형 적층 패키지는 상부 패키지의 리드와 하부 패키지의 리드를 레이저 솔더링에 의하여 접합하여 형성한다. 상하 패키지의 리드를 솔더에 담그지 않고 솔더볼에 의하여 접합하므로 솔더 디핑에 의해 발생하는 리드의 도금층의 손실이 없어 하부 패키지의 리드를 반도체 모듈 기판의 접속패드에 접속할 때 솔더링 불량없이 양호하게 접속할 수 있다.
리드프레임형 적층 패키지, 레이저 솔더링

Description

레이저 솔더링을 이용한 리드프레임형 적층패키지의 제조방법{Manufacturing method of leadframe type stack package using laser soldering}
도 1은 종래의 리드프레임을 사용하는 TSOP 타입의 2층 적층 패키지의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 적층 패키지에서 솔더 디핑에 의한 상하 리드의 접합 후 도금층의 손실이 일어난 리드의 단면도이다.
도 3a는 도금층이 손실된 리드가 반도체 모듈의 접속패드에 불량하게 솔더링되는 과정을 도시한 도면이다.
도 3b는 도금층이 손실된 리드가 반도체 모듈의 접속 패드에 불량하게 접합된 단면 사진이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 리드프레임형 적층 패키지의 단면 사진이다.
도 5는 도 4의 적층 패키지에서 솔더볼에 의한 상하 리드의 접합 후 리드의 단면사진이다.
도 6은 레이저 솔더링 과정을 도시한 도면이다.
도 7a는 도금층이 잘 형성되어 있는 리드가 반도체 모듈의 접속패드에 정상적으로 솔더링이 되는 과정을 도시한 도면이다.
도 7b는 도금층이 잘 형성되어 있는 리드가 반도체 모듈의 접속 패드에 양호하게 접합된 단면 사진이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
30: 상부 패키지 40: 하부 패키지
31, 41: 패키지 본체 33, 43: 리드
43a: 금속합금부 43b: 도금층
51: 접착제 55: 솔더 페이스트
53, 80: 솔더볼 70: 반도체 모듈의 보드
73: 반도체 모듈의 접속패드 91: 레이저 솔더링 헤드
93: 레이저 솔더링 헤드의 측면
본 발명은 반도체 패키지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 리드프레임 형의 적층 패키지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
전기,전자 제품의 소형화, 고성능화에 따라 고용량의 반도체 모듈이 요구되고있다. 고용량의 반도체 모듈은 고집적화된 반도체 칩을 사용하여 제공될 수 있으나, 반도체 패키지 내에 다수의 반도체 칩을 포함하거나 반도체 모듈에 다수의 반도체 패키지를 포함함으로써도 얻어질 수 있다. 반도체 칩의 고집적화는 정밀한 미세 선폭을 요구하는 등 고난도의 기술과 많은 개발 시간을 필요로 한다. 반면, 패 키지 레벨 또는 반도체 모듈 레벨의 고용량화는 적층(stack) 기술을 사용하여 상대적으로 용이하게 이룰 수 있으므로 적층 패키지 기술에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 적층 패키지는 메모리 용량의 증대는 물론, 실장 밀도 및 실장 면적의 효율성 측면에서도 유리하다.
도 1은 리드프레임을 사용하는 TSOP(Thin Small Outline Package) 타입의 2층 적층 패키지의 개략적인 단면도이다. TSOP 패키지는 반도체 칩을 포함하는 본체(11,21) 및 본체(11,21)로부터 나온 리드(13, 21)로 구성되어 있다. 도 1에 도시된 TSOP 적층 패키지에서 상부 패키지(10)의 리드(13)가 하부 패키지(20)의 리드(23)에 접합되어 있다. 일반적으로 적층 패키지의 본체(11,21)가 적층되어 패키지의 리드들(13,23)이 맞닿아 있는 상태에서 적층 패키지를 솔더링 단지에 담그는 솔더 디핑에 의하여 리드(13,23) 사이의 접합이 이루어진다.
리드는 반도체 칩과 외부회로를 전기적으로 연결시키는 기능을 하므로 전기전도성이 좋을 뿐만 아니라 솔더링 특성도 좋아야 한다. 이를 위하여 리드는 전기전도성이 좋은 금속합금부를 솔더링 특성이 좋은 도금층으로 감싸고 있는 구성을 갖는다. 이때 금속합금부는 구리(Cu) 또는 금(Au)을 주요 소재로 포함하며, 도금층은 주석(Sn)을 주요 소재로 포함한다.
그런데 솔더 디핑에 의하여 리드(13,23)의 접합을 이루는 과정에서 리드의 도금층이 손실되는 문제가 발생하기도 한다. 도 2는 솔더 디핑에 의한 상하 리드의 접합 후 도금층이 손실된 리드의 단면사진이다. 도금층이 금속합금부를 둘러싸고 존재하여야 하지만 도 2의 리드는 도금층(23b)이 금속합금부(23a)의 상부에만 존재 한다. 도금층이 금속합금부를 둘러싸고 있지 않으면 리드가 반도체 모듈의 접속 패드에 잘 접합되지 않는다.
도 3a 내지 도 3b는 도금층이 손실된 리드가 반도체 모듈의 접속패드에 불량하게 솔더링되는 과정을 도시한 도면이다. 도 3c는 도금층이 손실된 리드가 반도체 모듈의 접속 패드에 불량하게 접합된 단면 사진이다. 도 3a 내지 도 3b를 참조하면, 반도체 모듈의 접속 패드(63)에 솔더링 파우더(65)를 도포하고 패키지 리드(적층 패키지의 하부 리드)(23)를 위치한 후 열을 가한다. 이때 열에 의해 용융된 솔더(65)가 리드(23)의 도금층(23b)을 따라 퍼지면서 리드(23)를 감싸면서 필렛을 형성하면서 솔더링이 이루지게 된다. 그러나 리드(23)의 도금층(23b)이 부족하면 도 3b에 도시한 바와 같이 솔더(65)가 리드(23)를 감싸지 못하고 리드(23)의 하부에만 존재하게 된다. 솔더링 후에는 도 3c에 보이는 바와 같이 솔더(65')가 리드(23)의 하부에만 존재하고 리드(23)의 측면에는 필렛이 형성되지 않아 솔더링이 완전히 이루어지지 않게 된다. 참조번호 23a는 금속합금부이다.
솔더 디핑에 의한 리드 도금층의 손실은 솔더 디핑액에 담가진 리드의 도금층의 성분이 솔더 디핑액으로 확산되어 나감(diffusion out)으로써 발생하는 것으로 여겨진다.
본 발명의 목적은 상부 패키지의 리드가 하부 패키지의 리드에 접합되어 있으면서 리드의 도금층이 손실되지 않아 반도체 모듈에 양호하게 솔더링될 수 있는 리드프레임형 적층 패키지의 제조방법을 제공하는 것이다.
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상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리드프레임형 패키지의 제조방법은, 각각 본체 및 상기 본체로부터 확장되는 복수의 리드를 포함하는 복수의 리드프레임형 패키지가 적층된 적층 패키지의 제조방법으로서, 제1 리드프레임형 패키지의 리드 위에 제2 리드프레임형 패키지의 리드의 일부가 맞닿도록 상기 제1 리드프레임형 패키지 위에 상기 제2 리드프레임형 패키지를 적층하는 단계; 및 상기 제1 리드프레임형 패키지의 리드와 상기 제2 리드프레임형 패키지의 리드를 레이저 솔더링에 의해 접합하는 단계를 포함한다.
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이때, 상기 제2 리드프레임형 패키지의 리드 위에 제3 리드프레임형 패키지의 리드의 일부가 맞닿도록 상기 제2 리드프레임형 패키지 위에 상기 제3 리드프레임형 패키지를 적층하는 단계; 및 상기 제2 리드프레임형 패키지의 리드와 상기 제3 리드프레임형 패키지의 리드를 레이저 솔더링에 의해 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 솔더링에 의하면 솔더볼이 상기 리드들의 접합 부위에 놓여지고, 레이저빔에 의하여 상기 솔더볼이 용융되었다가 굳으면서 상기 리드들을 접합한다. 상기 레이저빔은 Nd:YAG 레이저로부터 생성된 레이저빔일 수 있다.
상기 제1 및 제2 리드프레임형 패키지는 TSOP(Thin Small Outline Package)이거나 QFP(Quad Flat Package)일 수 있다.
상기 리드는 금속합금부와 상기 금속합금부를 둘러싼 도금층으로 이루어질 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 모듈은 내부에 반도체 칩을 포함하는 본체 및 상기 본체로부터 확장된 복수의 리드를 포함하는 제1 리드프레임형 패키지; 내부에 반도체 칩을 포함하는 본체 및 상기 본체로부터 확장된 복수의 리드를 포함하면서, 상기 리드가 상기 제1 리드프레임형 패키지의 리드에 솔더볼에 의하여 접합됨으로써 상기 제1 리드프레임형 패키지에 적층되어 있는 제2 리드프레임형 패키지; 및 복수의 접속 패드가 형성되어 있으며, 상기 접속 패드에 상기 제1 리드프레임형 패키지의 복수의 상기 리드가 접속되어 있는 모듈 기판을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하여 위하여 과장된 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 리드프레임형 적층 패키지의 단면 사진이다. 도 4에 보이는 적층 패키지는 하부 패키지와 상부 패키지의 2층으로 구성되어 있다. 각각의 패키지는 TSOP형의 패키지로서 본체(31,41)로부터 리드(33,43)가 바깥쪽으로 나와 있다. 상부 패키지(30)의 리드(33)는 하부 패키지(40)의 리드(43)에 솔더볼(53)에 의하여 연결되어 있다. 이 솔더볼(53)은 레이저 솔더링에 의하여 형성될 수 있으며, 리드(33, 43)와 비슷한 크기의 직경을 갖는다. 상부 패키지(30)와 하부 패키지(40)의 본체는 그 사이의 접착제(51)에 의하여 접착되어 있다. 상부 패키지(30)와 하부 패키지(40)의 리드가 솔더볼(53)에 의하여 연결되어 있으므로 솔더 디핑에 의하여 연결되는 경우에 발생하는 리드 도금층의 손실이 발생하지 않는다.
본 발명에 따른 솔더볼에 의한 리드의 연결 후의 하부 패키지(40)의 리드(43)의 단면사진을 도 5에 나타내었다. 도 5에 보이는 바와 같이 도금층(43b)이 금속합금부(43a)를 완전히 둘러싸고 있다. 금속합금부(43a)는 구리(Cu) 또는 금(Au)을 주성분으로 하는 전기전도도가 좋은 합금으로 이루어질 수 있으며, 도금층(43b)은 솔더링 특성을 양호하게하는 주석(Sn)을 주성분으로 하여 SnAgCu와 같은 금속으로 이루어질 수 있다.
하부 패키지(40)의 리드(43)가 반도체 모듈의 접속 패드에 솔더에 의하여 접속됨으로써 적층패키지는 반도체 모듈에 실장된다. 솔더의 커버링을 돕는 도금층(43b)의 손실이 없으므로 하부 패키지(40)의 리드(43)에 솔더가 균형있게 잘 흡착되어 솔더링이 잘 될 수 있다.
본 실시예는 TSOP 패키지의 적층패키지에 대하여 설명하고 있으나 본 발명은 리드프레임을 사용하는 다른 종류의 패키지, 예를 들면, QFP(Quad Flat Package) 패키지에도 적용될 수 있다. 또한 본 실시예는 2층으로 구성된 적층패키지에 대하여 설명하고 있으나 본 발명은 3층 이상의 적층패키지에 대하여도 적용될 수 있다. 한편, 적층 패키지를 구성하고 있는 단위 패키지는 단일 반도체 칩을 포함할 수도 있고, 복수의 반도체 칩을 포함할 수도 있다.
도 5에 도시된 바와 같은 리드프레임형 적층 패키지를 제조하는 방법은 다음과 같다. 먼저, TSOP와 같은 리드프레임형 패키지를 상하로 적층한다. 이때 상부 패키지의 리드와 하부 패키지의 리드는 서로 맞닿도록 얼라인된다. 상부 패키지와 하부 패키지의 본체는 접착제에 의하여 접착될 수 있다. 다음으로 상부 패키지의 리드와 하부 패키지의 리드가 접속될 부분을 레이저 솔더링에 의하여 접속한다. 이와 같은 레이저 솔더링에 의하여 리드프레임형 패키지를 3층 이상으로 적층할 수도 있다. 즉, 적층된 패키지의 상부 패키지 위에 또 다른 패키지를 적층하고, 상부 패키지의 리드에 상기 다른 패키지의 리드를 레이저 솔더링에 의하여 접속함으로써 계속하여 패키지를 적층할 수 있다.
도 6에 레이저 솔더링 과정을 도시하였다. 도 6을 참조하면, 레이저 솔더링 헤드(91)의 노즐로부터 솔더볼(80)이 상하 리드의 접속 부위로 배출된다. 솔더링 헤드의 측면(93)으로부터 솔더링 헤드의 노즐 내부로 공급된 솔더볼(80)에 레이저빔이 조사되어 솔더볼(80)을 용융시키고, 용융된 솔더볼(80)은 불활성 가스와 같은 배출 가스에 의하여 노즐 밖으로 밀려나오게 된다. 레이저빔은 예를 들면 Nd:YAG 레이저로부터 발생되는 것을 사용할 수 있다. 리드의 접합 부위에 배출된 용융된 솔더볼(80)은 굳으면서 상하 패키지의 리드를 접합시킨다.
이때 비스듬한 방향으로 위치한 레이저 솔더링 헤드(91)로부터 수평으로 놓인 적층 패키지의 리드 접합 부위에 솔더볼이 공급될 수 있다. 또는 수직 방향으로 위치한 레이저 솔더링 헤드(91)로부터 수평으로 놓인 적층 패키지의 리드 접합 부위에 솔더볼이 공급되거나 비스듬한 방향으로 위치한 레이저 솔더링 헤드(91)로부터 비스듬하게 놓인 적층 패키지의 리드 접합 부위에 솔더볼이 공급될 수도 있다.
본 발명에서와 같이 솔더볼(80)에 의한 리드 접합 방식을 사용하면, 적층 패 키지의 리드가 솔더링 단지에 담가지지 않으므로 리드의 도금층이 솔더링 단지의 솔더로 확산되어 도금층이 손실되는 문제가 발생하지 않는다.
도 7a 내지 도 7b에 적층 패키지에서 도금층이 잘 형성되어 있는 리드가 반도체 모듈의 접속패드에 정상적으로 솔더링이 되는 과정을 간략하게 도시하였다. 도 7c는 리드가 반도체 모듈의 접속 패드에 양호하게 접합된 단면 사진이다. 도 7a 내지 도 7b를 참조하면, 먼저 SnAgCu와 같은 금속 파우더를 포함하는 솔더링 파우더 (55)가 도포된 반도체 모듈의 접속패드(73)에 적층 패키지의 리드(43)를 올려놓는다. 열을 가하여 솔더링 파우더(55)를 리플로우시키면 리드(43)의 도금층(43b) 표면을 따라 솔더(55)가 퍼지면서(wetting) 필렛(55')을 형성한다. 리드(43) 표면에 도금층(43b)이 잘 형성되어 있으면 도 7c에 보이는 바와 같이 리드(43)를 접속패드(73)에 접합시키는 필렛(55')이 도금층을 따라 균형있게 형성되어 반도체 모듈의 접속패드에 적층 패키지가 단단하게 접합된다. 이와 같이 형성된 반도체 모듈은 적층 패키지가 단단하게 접속되어 있어 제품의 신뢰도를 높일 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였지만, 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
본 발명에 따른 리드프레임형 적층 패키지는 상부 패키지의 리드와 하부 패 키지의 리드를 레이저 솔더링에 의하여 접합하여 형성한다. 상하 패키지의 리드를 솔더에 담그지 않고 솔더볼에 의하여 접합하므로 솔더 디핑에 의해 발생하는 리드의 도금층의 손실이 없어 하부 패키지의 리드를 반도체 모듈 기판의 접속패드에 접속할 때 솔더링 불량없이 양호하게 접속할 수 있다.

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  8. 각각 본체 및 상기 본체로부터 확장되는 복수의 리드를 포함하는 복수의 리드프레임형 패키지가 적층된 적층 패키지의 제조방법에 있어서,
    제1 리드프레임형 패키지의 리드 위에 제2 리드프레임형 패키지의 리드의 일부가 맞닿도록 상기 제1 리드프레임형 패키지 위에 상기 제2 리드프레임형 패키지를 적층하는 단계; 및
    상기 제1 리드프레임형 패키지의 리드와 상기 제2 리드프레임형 패키지의 리드를 레이저 솔더링에 의해 접합하는 단계를 포함하되, 상기 레이저 솔더링에 의한 접합 단계는 레이저 솔더링 헤드로부터 공급되는 솔더볼이 상기 리드들의 접합 부위에 놓여지고, 연속하여 상기 레이저 솔더링 헤드로부터 조사되는 레이저빔에 의하여 상기 솔더볼이 용융되었다가 굳으면서 상기 리드들을 접합하는 것을 포함하는 리드프레임형 적층 패키지의 제조방법.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 제2 리드프레임형 패키지의 리드 위에 제3 리드프레 임형 패키지의 리드의 일부가 맞닿도록 상기 제2 리드프레임형 패키지 위에 상기 제3 리드프레임형 패키지를 적층하는 단계; 및
    상기 제2 리드프레임형 패키지의 리드와 상기 제3 리드프레임형 패키지의 리드를 레이저 솔더링에 의해 접합하는 단계를 더 포함하는 리드프레임형 적층 패키지의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제8 항에 있어서, 상기 레이저빔은 Nd:YAG 레이저로부터 생성된 레이저빔인 리드프레임형 적층 패키지의 제조방법.
  12. 제8 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 리드프레임형 패키지는 TSOP(Thin Small Outline Package)인 리드프레임형 적층 패키지의 제조방법.
  13. 제8 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 리드프레임형 패키지는 QFP(Quad Flat Package)인 리드프레임형 적층 패키지의 제조방법.
  14. 제8 항에 있어서, 상기 리드는 금속합금부와 상기 금속합금부를 둘러싼 도금 층으로 이루어진 리드프레임형 적층 패키지의 제조방법.
  15. 삭제
  16. 제8 항에 있어서, 상기 제1 리드프레임형 패키지 위에 상기 제2 리드프레임형 패키지를 적층하는 단계는 상기 제1 리드프레임형 패키지의 리드가 상기 제2 리드프레임형 패키지의 리드와 맞닿도록 상기 제1 리드프레임형 패키지와 상기 제1 리드프레임형 패키지를 얼라인하는 단계를 포함하는 리드프레임형 적층 패키지의 제조방법.
  17. 제8 항 또는 제16항에 있어서, 상기 제1 리드프레임형 패키지 위에 상기 제2 리드프레임형 패키지를 적층하는 단계는 상기 제1 리드프레임형 패키지의 본체와 상기 제2 리드프레임형 패키지의 본체를 접착제에 의하여 접착하는 단계를 포함하는 리드프레임형 적층 패키지의 제조방법.
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