KR101924407B1 - 리드 프레임 및 반도체 장치 - Google Patents

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KR101924407B1
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다카시 요시에
마사유키 오쿠시
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신꼬오덴기 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 전극을 갖는 반도체 소자, 반도체 소자의 전극에 접속되는 본딩 와이어, 및 반도체 소자 및 본딩 와이어를 커버하여 밀봉하는 밀봉 수지를 포함하는 수지 밀봉형 반도체 장치의 리드 프레임을 제공한다. 상기 리드 프레임은, 기판 프레임, 4층 도금, 및 3층 도금을 포함한다. 상기 기판 프레임은, 리드들, 상기 밀봉 수지에 의해 밀봉되고 본딩 와이어에 접속되는 접속 영역, 및 상기 밀봉 수지에 의해 밀봉되지 않는 노출 영역을 포함한다. 4층 도금은 상기 본딩 와이어에 접속되며 상기 밀봉 수지에 의해 밀봉되는 상기 기판 프레임의 부분에 도포된다. 3층 도금은 상기 밀봉 수지로부터 노출되는 상기 기판 프레임의 노출 영역에 도포된다.

Description

리드 프레임 및 반도체 장치{LEAD FRAME AND SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 리드 프레임 및 반도체 장치에 관한 것이다.
본 출원은, 2011년 3월 29일자로 출원된 일본국 특허출원 제2011-073264호에 의거하여 우선권의 이익을 주장하는 것으로, 그 전체 내용이 참조로서 본 명세서에 포함된다.
반도체 소자를 탑재하는데 반도체 장치용 리드 프레임이 사용된다. 반도체 소자가 리드 프레임에 탑재된 후, 반도체 소자는 밀봉 수지로 밀봉되어 반도체 소자와 리드 프레임이 일체화된다. 반도체 장치는 인쇄 배선 기판 등과 같은 기판 상에 탑재된다. 통상의 리드 프레임은, 일반적으로 반도체 소자가 탑재되는 다이 패드, 와이어 본딩을 통해 반도체 소자의 전극에 전기적으로 접속되는 이너 리드(inner lead), 및 반도체 장치를 기판 상에 탑재할 때에 외부 접속 단자로서 기능하는 아우터 리드(outer lead)를 포함한다. 이러한 리드 프레임은, 반도체 소자에 대하여 양호한 본딩 특성을 갖는 것이 요구된다. 또한, 본딩 와이어는, 반도체 소자를 이너 리드에 접속하기 위한 양호한 와이어 본딩 특성을 갖는 것이 요구되며, 아우터 리드는, 기판 등의 탑재 주체에 반도체 장치를 본딩하기 위한 양호한 본딩 특성을 갖는 것이 요구된다. 기판 상에 반도체 장치를 탑재하기 위해서는 일반적으로 납땜이 수행된다. 최근에, 광범위하게 사용되는 리드 프레임은 아우터 리드의 본딩 특성을 향상시키기 위해서 미리 아우터 리드 상에 형성되는 땜납막을 포함한다.
이에 반해서, 땜납막을 사용하지 않고 기판 상에 반도체 장치를 탑재 가능한 리드 프레임도 사용되고 있다. 예를 들면, 도 15에 나타낸 바와 같이, 리드 프레임(50)은, 구리 또는 구리 합금 기본 재료(51), 최하층 또는 기층으로서 기능하는니켈 도금층(11A), 팔라듐 도금층(12A), 및 금 도금층(14A)을 포함한다. 도금층(11A, 12A, 14A)은 구리 또는 구리 합금 기본 재료(51) 상에 순차적으로 적층된다(예를 들면, 일본국 특허공개 평4-115558호 공보 및 국제특허공개 제WO2005/117112호 공보 참조). 이러한 구조의 리드 프레임(50)은 팔라듐 사전 도금 리드 프레임(Pd-PPF)이라 불린다. 리드 프레임(50)에서는, 최상층으로서 형성되는 금 도금층(14A)이, 리드 프레임의 산화를 방지하고, 반도체 소자를 이너 리드에 접속하는 본딩 와이어(예를 들면, 금 와이어)의 양호한 와이어 본딩 특성을 제공한다.
일본국 특허공개 평4-115558호 공보 국제특허공개 제WO2005/117112호 공보
본딩 와이어로서 금 와이어가 자주 사용된다. 그러나, 최근에는, 금의 가격이 급격하게 상승하고 있다. 그 결과, 재료 비용의 측면에서 금 와이어보다 저렴한 구리 와이어의 사용이 급속도로 증가되고 있다. 그럼에도 불구하고, 구리 와이어는, 금 와이어에 비하여, 보다 쉽게 산화되고, 보다 단단하며, 보다 낮은 연성(ductility)을 갖고 있다. 따라서, 구리 와이어의 와이어 본딩 특성이 열악하다. 도 15에 나타낸 리드 프레임(50)은, 비교적 표면이 단단한 본딩부를 포함한다. 본 발명의 발명자들이 연구를 한 바, 구리 와이어를 리드 프레임(50)에 접속할 때에 구리 와이어가 자주 슬리핑(slipping)을 야기한다는 판단을 내렸다. 이 때문에, 구리 와이어가 리드 프레임(50)의 와이어 본딩에 사용될 때에 금 와이어보다도 본딩하기가 더욱 어렵다. 따라서, 리드 프레임(50)의 와이어 본딩을 위하여 구리 와이어를 사용하는 것은 본딩 실패 등을 초래할 수 있다.
본 발명의 목적은, 본딩 와이어의 접속 신뢰성을 증가시키는 리드 프레임 및 반도체 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 형태는, 전극을 갖는 반도체 소자, 반도체 소자의 전극에 접속되는 본딩 와이어, 및 반도체 소자 및 본딩 와이어를 커버하여 밀봉하는 밀봉 수지를 포함하는 수지 밀봉형 반도체 장치의 리드 프레임이다. 상기 리드 프레임은, 복수의 리드를 포함하는 기판 프레임을 포함한다. 본딩 와이어에 접속되고 밀봉 수지에 의해 밀봉되는 기판 프레임의 부분에 4층 도금이 도포된다. 4층 도금은 Ni 또는 Ni 합금으로 형성되는 제1 도금층, Pd 또는 Pd 합금으로 형성되는 제2 도금층, Ag 또는 Ag 합금으로 형성되는 제3 도금층, 및 Au 또는 Au 합금으로 형성되는 제4 도금층을 포함하며, 상기 기판 프레임의 부분에 이 순서로 순차적으로 적층된다. 밀봉 수지로부터 노출되는 기판 프레임의 노출 영역에는 3층 도금이 도포된다. 3층 도금은, 상기 제1 도금층, 제2 도금층 및 제4 도금층을 포함하며, 상기 기판 프레임의 노출 영역에 이 순서로 순차적으로 적층된다.
일 실시예에 따른 리드 프레임에서는, 제1 내지 제4 도금층을 포함하는 4층 도금이 본딩 와이어에 접속되고 밀봉 수지에 의해 밀봉되는 기판 프레임의 부분에 형성된다. 기판 프레임의 표층의 경도는 Ag로 형성되는 제3 도금층과, Au로 형성되는 제4 도금층에 의해 감소된다. 이는, 본딩을 행할 때에 본딩 와이어의 슬리핑을 억제한다. 따라서, 본딩 와이어 접속 신뢰성이 향상된다.
본 발명의 부가적인 목적 및 이점은 이어지는 발명의 상세한 설명 부분에서 설명될 것이고 그로부터 명백해질 것이며, 본 발명의 실행에 의해 알게 될 것이다. 본 발명의 목적 및 이점은 첨부된 특허청구범위에서 특정되는 소자들 및 그들의 조합에 의해 실현되고 달성될 것이다.
상기한 일반적인 설명 및 후술하는 발명의 상세한 설명은 예시일 뿐, 본 발명을 한정하는 것이 아니다.
첨부된 도면과 함께 바람직한 실시예의 설명을 참조함으로써 본 발명과 함께 본 발명의 목적 및 이점이 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은 일 실시예에서의 리드 프레임을 나타내는 평면도.
도 2는 일 실시예의 반도체 장치를 나타내는 단면도.
도 3은 접속 신뢰성 평가의 결과를 나타내는 그래프.
도 4는 Ag 도금층의 두께와 비커스 경도(Vickers hardness) 간의 관계를 나타내는 그래프.
도 5는 접속 신뢰성 평가의 결과를 나타내는 그래프.
도 6은 접속 신뢰성 평가의 결과를 나타내는 그래프.
도 7(a)는 신뢰성 테스트 전의 반도체 장치를 나타내는 도면이고, 도 7(b)는 신뢰성 테스트 후의 반도체 장치를 나타내는 도면.
도 8(a)는 신뢰성 테스트 전의 반도체 장치를 나타내는 도면이고, 도 8(b)는 신뢰성 테스트 후의 반도체 장치를 나타내는 도면.
도 9는 AES 질적/양적 분석(AES qualitative and quantitative analysis)의 결과를 나타내는 테이블.
도 10은 땜납 습윤성(wettability) 평가의 결과를 나타내는 그래프.
도 11은 변형된 반도체 장치를 나타내는 단면도.
도 12는 변형된 반도체 장치를 나타내는 단면도.
도 13은 변형된 반도체 장치를 나타내는 단면도.
도 14는 변형된 반도체 장치를 나타내는 단면도.
도 15는 종래의 반도체 장치를 나타내는 단면도.
도 16은 비교예의 리드 프레임을 나타내는 단면도.
이하, 첨부 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 첨부 도면은 구성을 개략적으로 도시하는 것으로, 실제 스케일을 묘사하고 있는 것은 아니다. 또한, 도금층들은 각 부재의 단면 구성을 쉽게 이해할 수 있도록 단면도에서 해칭 라인으로 나타내고 있지 않다.
이하, 도 1 내지 도 10을 참조하여 일 실시예를 설명한다.
[리드 프레임 구조]
도 1은, 기본적으로 기판 프레임(2)에 의해 형성되며, 쿼드 플랫 패키지(Quad Flat Package; QFP)의 기판으로서 사용되는 리드 프레임(1)을 나타낸다. 기판 프레임(2)(기본 재료)은, 예를 들면 구리(Cu), Cu계 합금, 니켈-철(Fe-Ni) 2원 합금, 또는 Fe-Ni계 다성분 합금으로 형성된다. 기판 프레임(2)은, 예를 들면 금속판을 프레싱하거나 에칭함으로써 얻어진다.
기판 프레임(2)은, 반도체 소자(21)(도 2 참조)가 탑재되는 다이 패드(3)를 포함한다. 다이 패드(3)는 위에서 보았을 때 사각형으로 형성된다. 다이 패드(3)는, 기판 프레임(2)의 길이 방향으로 연장되는 기판 프레임(2)의 양측 에지 상에 형성되는, 레일(4)에 접속되는 지지 바(5)에 의해 지지된다. 댐 바(dam bar; 6)에 접속되는 복수의 이너 리드(7)가 다이 패드(3) 주위에 배치된다. 댐 바(6)는 복수의 아우터 리드(8)의 기저 단부에 접속되고, 아우터 리드(8)의 말단부가 레일(4) 또는 이너 프레임(9)에 접속된다. 이너 프레임(9) 각각은 레일(4)에 수직하게 연장되어 레일(4)에 접속된다. 다이 패드(3), 지지 바(5), 댐 바(6), 이너 리드(7) 및 아우터 리드(8)는 기판 프레임(2) 내에 형성된 개구(10)에 의해 구획된다. 도 1에는, 파선으로 나타낸 부분이 밀봉 수지(23)(도 2 참조)에 의해 밀봉되는 수지 밀봉 영역을 나타낸다. 다이 패드(3) 및 이너 리드(7)는 밀봉 수지(23)에 의해 밀봉되고, 아우터 리드(8)는 밀봉 수지(23)로부터 노출된다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 다이 패드(3)는 이너 리드(7)보다 낮은 위치에 배치된다. 이너 리드(7)와 일체로 형성되는 아우터 리드(8)는 다이 패드(3)보다 낮은 위치에 배치된다. 제1 벤트부(8a) 및 제2 벤트부(8b)가 각 아우터 리드(8)에 형성될 수 있고, 제1 벤트부(8a)가 이너 리드(7)에 근접한다. 제2 벤트부(8b)로부터 말단부까지의 아우터 리드(8)의 저부가 인쇄 배선 기판 등의 탑재 기판 상에 납땜되어 탑재되는 탑재면으로서 기능한다.
이하, 다이 패드(3), 이너 리드(7) 및 아우터 리드(8)에 적용되는 층 구조에 대하여 설명한다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 4층 도금(15A)이 다이 패드(3) 및 이너 리드(7)에 도포되고, 밀봉 수지(23)에 의해 밀봉된다. 4층 도금(15A)은 기층으로서 사용되는 제1 도금층(11), 제2 도금층(12), 제3 도금층(13) 및 제4 도금층(14)을 포함하며, 이 순서로 순차적으로 적층된다. 본 실시예에서는, 제1 도금층(11)이 니켈(Ni) 도금층이고, 제2 도금층(12)이 팔라듐(Pd) 도금층이며, 제3 도금층(13)이 은(Ag) 도금층이고, 제4 도금층(14)이 금(Au) 도금층이다. 4층 도금(15A)은 다이 패드(3) 및 이너 리드(7)의 상면, 하면 및 측면을 커버한다. 3층 도금(15B)이, 밀봉 수지(23)로부터 노출되어 있는 아우터 리드(8)에 도포된다. 3층 도금(15B)은, 기층으로서 사용되는 제1 도금층(11), 제2 도금층(12) 및 제4 도금층(14)을 포함하며, 이 순서로 순차적으로 적층된다. 3층 도금(15B)은 아우터 리드(8)의 상면, 하면 및 측면을 커버한다.
이와 같이, 제3 도금층(13)(Ag 도금층)을 포함하는 4층 도금(15A)은, 밀봉 수지(23)에 의해 커버되는 기판 프레임(2) 부분에 도포되는 한편, 제3 도금층(13)을 포함하지 않는 3층 도금(15B)은 밀봉 수지(23)로부터 노출되는 기판 프레임(2) 부분에 도포된다. 제1 내지 제4 도금층(11~14)은, 예를 들면 전해 도금을 통해 형성될 수 있다.
기층으로서 사용되는 최하층인 제1 도금층(11)은, 기판 프레임(2)의 내부식성과, Pd로 형성되는 제2 도금층(12)과의 접착성과, 휘어지는 도금부의 내균열성 등을 고려하여 결정된 재료로 형성 및/또는 그러한 두께를 갖는다. 제1 도금층(11)의 재료로서, Ni, Ni 합금 등을 사용할 수 있다. 특성 및 제조 비용의 관점으로부터, 제1 도금층(11)의 두께는 0.1㎛ 이상 3㎛ 이하의 범위가 바람직하고, 0.2㎛ 이상 2㎛ 이하의 범위가 더욱 바람직하다.
기본 재료로부터 제2 층인 제2 도금층(12)은, 조립 중에 발생된 열로부터 생기는 제1 도금층(11)의 확산 및 산화를 억제하는 재료로 형성 및/또는 그러한 두께를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 기능을 실현하는 제2 도금층(12)으로서, 예를 들면, Pd 또는 Pd 합금을 사용할 수 있다. 제2 도금층(12)의 두께는, 제조 비용의 관점에서 두께를 최소화하면서 제1 도금층(11)의 확산 및 산화를 억제하기 위해서 0.005㎛ 이상 0.2㎛ 이하의 범위가 바람직하다.
기본 재료로부터 제3 층인 제3 도금층(13)은, 본딩 와이어(22)와의 접속 신뢰성을 증가시키는 재료로 형성 및/또는 그러한 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제3 도금층(13)의 재료는, 비교적 내산화성을 가지며 낮은 경도를 가지는 금속인 것이 바람직하다. 제3 도금층(13)의 재료로서, 예를 들면, Ag 또는 Ag 합금을 사용할 수 있다. 본딩 와이어(22)에 대하여 접속 신뢰성을 안정적으로 증가시키기 위해서는, 제3 도금층(13)의 두께는, 0.01㎛ 이상 3.5㎛ 이하의 범위인 것이 바람직하며, 0.05㎛ 이상 3.5㎛ 이하의 범위가 더욱 바람직하다.
기본 재료로부터 제4 층 또는 최상층인 제4 도금층은, 본딩 와이어(22)의 접속 신뢰성을 향상시키는 재료로 형성 및/또는 그러한 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제4 도금층(14)의 재료는 비교적 내산화성을 가지며 낮은 경도를 가지는 금속이 바람직하다. 제4 도금층(14)의 재료로서, 예를 들면, Au 또는 Au 합금을 사용할 수 있다. 제조 비용의 관점에서 두께를 최소화하면서 본딩 와이어에 대하여 접속 신뢰성을 증가시키기 위해서는, 제4 도금층(14)의 두께는, 0.001㎛ 이상 0.1㎛ 이하의 범위가 바람직하며, 0.003㎛ 이상 0.01㎛ 이하의 범위가 더욱 바람직하다.
[반도체 장치 구조]
도 2에 나타낸 바와 같이, 수지 밀봉형 반도체 장치(20)는 리드 프레임(1)을 구비하여 제조된 QFP 구조를 갖는다. 반도체 장치(2)에 있어서, 반도체 소자(21)가 리드 프레임(1)의 다이 패드(3) 상에, 특히 다이 패드(3)의 표면 상에 형성된 4층 도금(15A) 상에 접착층(21A)(예를 들면, Ag 페이스트)에 의해 접착된다. 반도체 소자(21)는, 본딩 와이어(22)에 의해 이너 리드(7)에 접속된 전극(21B)을 포함한다. 상세하게는, 반도체 소자(21)의 전극(21B)은 본딩 와이어(22) 및 제1 내지 제4 도금층(11~14)(4층 도금(15A))을 통해 이너 리드(7)에 전기적으로 접속된다. 반도체 소자(21), 본딩 와이어(22), 다이 패드(3), 이너 리드(7)는 밀봉 수지(23)에 의해 커버되고 밀봉된다. 반도체 장치(20)에서는, 아우터 리드(8)가 외부 접속 단자로서 밀봉 수지(23)로부터 노출되어 있다.
반도체 소자(21)는, 예를 들면 집적 회로(IC) 칩, 대규모 집적(LSI) 칩 등이다. 도시된 예에서는, 하나의 반도체 소자만이 도시되어 있다. 그러나, 필요할 경우, 2개 이상의 반도체 소자가 사용될 수 있다. 또한, 능동 또는 수동 소자가 반도체 소자 대신에 또는 반도체 소자와 조합하여 사용될 수 있다. 본딩 와이어(22)는, 예를 들면 Cu 와이어, Au 와이어, 알루미늄(Al) 와이어 등일 수 있다. 밀봉 수지(23)의 재료는, 예를 들면 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 페놀 수지, 또는 아크릴 수지일 수 있다.
[접속 신뢰성 평가]
이하, 4층 도금(15A)이 도포되는 이너 리드(7)에 대한 Cu 와이어의 접속 신뢰성(와이어 본딩 특성)의 평가 결과에 대하여 설명한다.
우선, 이너 리드(7)에 와이어 본딩된 Cu 와이어에 대하여 인장 강도를 측정했고, 제1 도금층(11)의 두께는 1.0㎛로 설정했으며, 제2 도금층(12)의 두께는 0.03㎛로 설정했고, 제3 도금층(13)의 두께는 0.1㎛로 설정했으며, 제4 도금층(14)의 두께는 0.008㎛로 설정했다(예 1). 또한, 3층 도금(16)이 도포된 종래 기술의 리드 프레임(50)(도 15 참조)의 Cu 와이어에 대하여 동일한 조건으로 인강 강도를 측정했다. 리드 프레임(50)에서는, Ni 도금층(11A), Pd 도금층(12A) 및 Au 도금층(14A)의 두께를 각각 1.0㎛, 0.03㎛ 및 0.008㎛로 설정했다(비교예 1). 또한, 5㎛의 두께를 갖는 은 도금층을 Cu 또는 Cu 합금으로 형성된 기판 프레임에 직접 도포한 리드 프레임의 Cu 와이어에 대하여 동일한 조건 하에 인장 강도를 측정했다(비교예 2). 그 결과를 도 3에 나타낸다.
인장 강도는, 이너 리드에 스티치 본딩(stitch bonding)이 행해진 리드 프레임의 Cu 와이어 스티치 본딩부 상에 실시한 인장 강도 테스트 중에 Cu 와이어가 박리되거나 절단될 때에 생기는 부하를 나타내는 값이다. 부하가 클수록, Cu 와이어의 높은 접속 신뢰성을 나타내는 인장 강도가 높다.
도 3에 나타낸 결과로부터 분명한 바와 같이, 4층 도금(15A)을 갖는 예 1은, 3층 도금(16)을 갖는 비교예 1보다도 대략 3배 내지 4배 큰 인장 강도를 얻는다. 이는, 제3 도금층(13)(Ag 도금층)의 추가에 의해 이너 리드(7)의 와이어 본딩 표면층(제4 도금층(14))의 경도를 감소시키기 때문인 것으로 이해된다. 상세하게는, 우선, Cu 와이어를 본딩할 때에 Cu 와이어가 Au보다 더 단단하고 슬리핑이 발생하는 사실에 기인하여 Au 대신에 Cu를 이용할 때에 와이어 본딩 특성이 열화된다는 것으로 이해되고 있다. 이와 관련하여, 4층 도금(15A)을 갖는 예 1에서는, 제3 도금층(13)(Ag 도금층)의 존재에 의해 표층의 경도를 감소시켜 리드 프레임 측에서의 소성(塑性) 변형을 유도하는 것으로 이해될 수 있다. 이는, Cu 와이어의 슬리핑을 억제하여 양호한 접속을 가능케 한다. 이는, 인장 강도를 비교예 1보다 상당히 증가시킨다. 예 1에서는, 제3 도금층(13)(Ag 도금층)의 두께가 비교예 2에서의 Ag 도금층의 두께보다 얇다. 그러나, 예 1에서는 비교예 2와 대략 동일한 인장 강도가 얻어지며, 이에 따라 실용상 충분한 인장 강도를 갖는다.
이너 리드(7)의 표층(제4 도금층(14))의 경도는, 낮은 경도를 갖는 금속으로 형성되는 제3 도금층(13) 또는 제4 도금층(14)의 두께가 증가함에 따라 감소한다. 따라서, 제4 도금층(14) 및 제3 도금층(13)의 두께를 증가시킴으로써 와이어 본딩 특성이 향상될 수 있다. 도 4 및 도 5는 이러한 관찰을 뒷받침해주는 평가 결과의 예들을 나타낸다.
도 4는 이너 리드(7) 상에 형성된 4층 도금(15A)의 제3 도금층(13)의 비커스 경도와 두께 간의 관계를 나타낸다. 보다 구체적으로, 제1 도금층(11)의 두께를 0.8㎛로 설정하고, 제2 도금층(12)의 두께를 0.02㎛로 설정하며, 제4 도금층(14)의 두께를 0.006㎛로 설정한 이너 리드(7) 상에 제3 도금층(13)(Ag 도금층)의 두께를, 0㎛, 0.05㎛, 0.1㎛, 0.5㎛ 및 1.0㎛로 변화시켰을 때에 비커스 경도를 구했다. 비커스 경도의 측정을 위해 50gf를 인가했다. 버커스 경도값이 낮을수록 낮은 경도를 나타낸다. 도 4에 나타낸 결과로부터 분명한 바와 같이, 제3 도금층(13)의 두께가 증가함에 따라, 비커스 경도는 감소, 즉 이너 리드의 경도는 감소한다.
도 5는 이너 리드(7) 상에 형성되는 4층 도금(15A)의 제3 도금층(13)의 두께와, 인장 강도 테스트 후에 스티치 분리를 나타내는 결함율 간의 관계를 나타낸다. 도 5에 나타낸 결과로부터 분명한 바와 같이, 제3 도금층(13)의 두께 증가에 따라, 스티치 분리를 나타내는 결함율이 감소된다. 특히, 제3 도금층(13)의 두께가 0.05㎛ 이상일 때, 스티치 분리를 나타내는 결함율은 영(0)이다. 이들 결과로부터 분명한 바와 같이, 제3 도금층(13)의 두께 증가에 따라 이너 리드(7)의 표층의 경도가 감소되고 와이어 본딩 특성이 향상된다.
그러나, 제3 도금층(13)의 두께 증가는 제조 비용을 증가시킨다. 이와 관련하여, 제3 도금층(13)의 두께에 대하여 상한값을 찾는 연구를 실시했다. 연구 결과를 도 6에 나타낸다. 도 6은 Cu 또는 Cu 합금으로 형성된 기판 프레임에 직접 도포되는 Ag 도금층의 두께를, 2.0㎛, 3.5㎛, 6.0㎛ 및 12.0㎛로 변화시켰을 때의 인장 강도를 나타낸다. 도 6의 결과로부터 분명한 바와 같이, Ag 도금층의 두께가 2.0㎛ 이상일 때, 각 케이스마다 실용상 충분한 인장 강도가 얻어질 수 있다. 그러나, Ag 도금층의 두께가 3.5㎛를 초과하면, Ag 도금층의 두께가 증가함에 따라 인장 강도의 변동이 증가한다. 따라서, 도 6의 결과로부터, Ag 도금층의 두께가 3.5㎛로 설정될 때에 높은 인장 강도를 안정적으로 얻을 수 있는 것이 분명하다. 도 6의 결과는, Ag 도금층이 기판 프레임에 직접 도포될 때에 얻어진다. 그러나, 4층 구조에서의 제3 도금층(13)(Ag 도금층)은 인장 강도를 증가시키는 것에 크게 기여한다. 따라서, 도 6의 결과에 나타낸 것과 동일한 성향을 갖는 인장 강도가, 4층 구조에서의 제3 도금층(13)의 두께를 변화시킬 때에 얻어질 수 있다고 이해될 수 있다. 즉, 4층 도금(15A)이 도포되는 이너 리드(7)에서는, 제3 도금층(13)의 두께를 3.5㎛로 설정함으로써, 높은 인장 강도가 안정적으로 얻어질 수 있다. 이는, 높은 접속 신뢰성을 얻는다.
상기 설명으로부터 분명한 바와 같이, 제3 도금층(13)의 두께는 0.05㎛ 이상 3.5㎛ 이하의 범위로 설정되는 것이 바람직하다.
[신뢰성 평가]
Ag 도금층을 포함하며 밀봉 수지 내의 기판 프레임에 도포되는 4층 도금(도 2 참조)을 갖는 반도체 장치에 대하여 신뢰성 테스트(수분 흡수 리플로우 테스트)를 실시하여, 반도체 장치의 신뢰성을 평가했다. 비교예로서, Ag 도금층을 포함하지 않고 밀봉 수지 내의 기판 프레임에 도포되는 3층 도금(도 15 참조)을 갖는 반도체 장치에 대하여 동일한 평가를 실시했다. 2개의 반도체 장치에 대하여 실시된 신뢰성 테스트는, Ag 도금층의 유무를 제외하고는 동일한 조건 하에서 실시되었다. 도 7 및 도 8은 신뢰성 테스트 전후의 반도체 장치 내의 밀봉 수지와 리드 프레임 간의 박리에 대하여 체크한, 스캐닝 어쿠스틱 토모그래프(scanning acoustic tomograph; SAT) 등의 초음파 테스팅 장치에 의해 얻어진 결과를 나타낸다.
신뢰성 테스트는, 다음과 같은 조건 하에서 실시되었다.
수분 흡수 조건: JEDEC MSL 2a (60℃/60% RH×120hrs)
리플로우 조건: 260℃×3회
도 7(a) 및 도 8(a)에 나타낸 바와 같이, 신뢰성 테스트를 행한 2개의 반도체 장치에서는, 신뢰성 테스트 전의 밀봉 수지와 리드 프레임 사이에서 박리가 생기지 않는 것이 확인되었다. 그러나, 도 8(b)에 나타낸 바와 같이, Ag 도금층을 포함하지 않는 3층 도금을 갖는 반도체 장치에서는, 밀봉 수지(흰색 원으로 나타낸 부분을 칭함)에서, 신뢰성 테스트 후의 각 다이 패드 내의 리드 프레임과 밀봉 수지 사이에서 박리가 검출되었다. 이에 대하여, 도 7(b)에 나타낸 바와 같이, Ag 도금층을 포함하는 4층 도금을 갖는 반도체 장치에서는, 밀봉 수지에서, 신뢰성 테스트의 실행 후에 검사한 각 다이 패드 내의 리드 프레임과 밀봉 수지 사이에서 박리가 검출되지 않았다. 이들 결과로부터, 도 2에 나타낸 반도체 장치(20)의 신뢰성이, 밀봉 수지(23)에 의해 밀봉된 영역 내의 기판 프레임(2)에 제3 도금층(13)(Ag 도금층)을 포함하는 4층 도금(15A)의 적용에 의해 향상될 수 있음이 분명하다.
[Ag 도금층이 아우터 리드 상에 형성되지 않는 이유]
4층 도금(15A)이 기판 프레임(2)에 도포되는 구조에서는, 도 16에 나타낸 바와 같이, 4층 도금(15A)이 이너 리드(7)와 마찬가지로 아우터 리드(8)에 도포될 수도 있다. 그러나, 본 실시예에서는, 제3 도금층(13)(Ag 도금층)을 포함하지 않는 3층 도금(15B)을, 밀봉 수지(23)로부터 노출되는 아우터 리드(8)에 의도적으로 도포한다. 이하, 이러한 구조의 이유에 대하여 설명한다. 즉, 밀봉 수지(23)로부터 노출되는 아우터 리드(8) 상에 제3 도금층(13)을 형성하면 이하에서 설명하는 문제를 초래한다.
[제1 문제]
리드 프레임이 패키지로 형성되어 기판에 납땜되는 경우, 기판측 땜납이 Sn-Ag-Cu 등의 무연 땜납일 때에는 다음과 같은 문제를 초래한다. 상세하게는, Ag3Sn 금속 화합물이 비교적 안정된 합금이며, 우수한 기계적 강도를 갖는 무연 땜납으로서 알려져 있다. 그러나, Sn 내의 Ag 농도가 4%를 초과하면 크리프 강도(creep strength)가 극단적으로 커지게 되어, 기판의 랜드 박리 등의 현상이 생기는 경향이 있다. 또한, Sn 내의 Ag 농도가 5%을 초과하면, 크랙을 야기시킬 수 있는 수축 공(shrinkage cavity)이 생긴다. 제3 도금층(13)(Ag 도금층)을 포함하는 4층 도금(15A)을, 도 16에 나타낸 바와 같이 리드 프레임(1D)의 아우터 리드(8)(탑재면) 상에 형성하면, Ag의 대부분이 납땜부에 존재한다. 이는, Ag 농도를 증가시켜, 랜드 박리 및 크랙을 발생시키는 경향이 있다.
[제2 문제]
쉽게 황화되는 금속으로서, 은이 일반적으로 알려져 있다. Ag 도금층을 포함하는 4층 도금(15A)을 아우터 리드(8) 상에 형성한 경우, 예를 들면, Ag는 조립 시에 리드 프레임(1D)의 표층에서 열적으로 확산하여, Ag와 Au가 서로 공존하거나 표층에서 합금으로서 존재한다. 따라서, 리드 프레임(1D)(특히, 각 아우터 리드(8))이 쉽게 황화된다. 아우터 리드(8)가 황화되면, 아우터 리드(8) 및 땜납의 습윤성이 열화된다. 이는, 도 9 및 도 10에 나타낸 실험 결과로부터 확인될 수 있다. 이하, 이 실험의 조건 및 결과에 대하여 설명한다.
우선, 아우터 리드(8)에 도포된 3층 도금(15B)을 갖는 리드 프레임(1)(도 2 참조)과 아우터 리드(8)에 도포된 4층 도금(15A)을 갖는 리드 프레임(1D)(도 16 참조)을 준비했다. 리드 프레임(1, 1D)을 조립에 적합한 조건 하에서 가열하고, 리드 프레임(1, 1D)에 대하여 가스 테스트를 실시했다.
가열 조건: 실온으로부터 175℃까지 30분 동안 연속적으로 온도를 상승시켰다. 그 후, 이 분위기에서 60분 동안 175℃로 가열을 행하고, 또한 핫 플레이트 위에서 2분 동안 200℃에서 가열을 행하였다.
가스 테스트: 6% 아황산 용액 100㎖를 건조기(desiccator)에 넣은 다음, 그 용액에 의해 생성된 SO2 가스 분위기에서 60분 동안 리드 프레임을 남겨 두었다. 그 후, 2% 황화수소암모늄 용액 100㎖를 건조기에 넣은 다음, 이 용액에 의해 생성된 H2S 가스 분위기에서 15분 동안 리드 프레임을 남겨 두었다.
오거 전자 분광(Auger electron spectroscopy; AES) 표면 분석을 실시하여, 가스 테스트를 행한 리드 프레임의 아우터 리드의 표면 상에 존재하는 소자들을 양적 및 질적으로 분석했다. 그 결과를 도 9에 나타낸다. 그 결과로부터 분명한 바와 같이, 아우터 리드 상에 Ag 도금층을 갖는 리드 프레임(1D)에서는, 아우터 리드(8)의 표면 상의 황(S)의 양이 아우터 리드 상에 Ag 도금층을 포함하지 않는 리드 프레임(1)보다 대략 3배 정도 많다. 따라서, Ag 도금층의 존재로 인해 아우터 리드가 황화되는 경향이 있는 것이 분명하다.
또한, 메니스코그래프(meniscograph) 테스트를 실시하여, 가스 테스트를 행한 리드 프레임에 대하여 제로 크로스 타임(zero cross time)을 측정했다. 제로 크로스 타임을 측정한 이 테스트(땜납 습윤성 평가)는, 다음과 같은 조건 하에서 실시했다.
땜납욕(solder bath) 타입: 64% Sn-Pb 공융(eutectic) 땜납
플럭스(flux) 타입: 비활성 로진계 플럭스
테스트 온도: 215℃
침지 속도: 2㎜/sec
침지 깊이: 0.5㎜
침지 타임: 10초
도 10은 메니스코그래프 테스트 결과를 나타낸다. 제로 크로스 타임이 짧을수록 땜납 습윤성이 향상되는 것을 나타내고 있다.
도 10의 결과로부터, 아우터 리드 상에 Ag 도금층을 포함하는 리드 프레임(1D)(황화 리드 프레임)은 아우터 리드 상에 Ag 도금층을 갖지 않는 리드 프레임(1)보다 제로 크로스 타임이 보다 길다는 것이 분명하다. 또한, 리드 프레임(1D)의 땜납 습윤성이 리드 프레임(1)과 비교하여 열악하다.
상술한 실험 결과로부터 분명한 바와 같이, Ag 도금층이 아우터 리드 상에 존재하면, 아우터 리드가 황화되는 경향이 있어, 땜납 습윤성이 열화된다.
이 때문에, 본 실시예의 리드 프레임(1)에서는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 제3 도금층(13)(Ag 도금층)을 아우터 리드(8)에 형성하지 않는다. 대신에, 3층 도금(15B)을 아우터 리드(8) 상에 형성한다. 이는, 상기 제1 및 제2 문제를 초래하는 것을 방지한다.
본 실시예는 후술하는 이점을 갖는다.
(1) 제1 내지 제4 도금층(11~14)을 포함하는 4층 도금(15A)을 와이어 본딩부 내의 기판 프레임(2)(이너 리드(7)) 상에 형성한다. 이너 리드(7)의 표층의 경도는, Ag로 형성되는 제3 도금층(13)과, Au로 형성되는 제4 도금층(14)에 의해 감소된다. 이는, 본딩을 행할 때에 본딩 와이어(22)(Cu 와이어)의 슬리핑을 억제한다. 이에 따라, 본딩 와이어 접속 신뢰성이 향상된다. 따라서, Cu 와이어가 와이어 본딩에 사용되는 경우라도, Cu 와이어가 양호한 와이어 본딩 특성을 갖는다.
(2) 제1 내지 제4 도금층(11~14)을 포함하는 4층 도금(15A)을, 기판 프레임(2) 내의 밀봉 수지(23)에 의해 밀봉되는 영역(이너 리드(7) 및 다이 패드(3)의 상면, 하면 및 측면) 상에 전체적으로 형성한다. 이는, 리드 프레임(1) 및 밀봉 수지(23)의 박리를 억제하여, 반도체 장치(20)의 신뢰성을 향상시킨다.
(3) 제3 도금층(13)을 포함하지 않는 3층 도금(15B)을, 밀봉 수지(23)로부터 노출된 기판 프레임(2)의 영역(즉, 아우터 리드(8)) 상에 형성한다. 이는, 황화에 기인하여 땜납 습윤성의 열화, 균열 및 랜드 박리의 발생 등과 같은, Ag 도금층이 아우터 리드(8) 상에 존재할 때에 초래되는 문제들을 방지한다.
본 발명은, 발명의 범주로부터 이탈하지 않고서 다양한 다른 특정 형태로 실시될 수 있음은 당분야에 숙련된 자에게는 명백하다. 특히, 본 발명은 다음과 같은 형태로 실시될 수 있음을 이해해야 한다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 반도체 장치(20A)의 리드 프레임(1A)에서는, 다이 패드(3)가, 본딩 와이어(22)(예를 들면, Cu 와이어) 각각에 의해 반도체 소자(21)의 전극(21B)에 전기적으로 접속될 수 있다. 더욱 구체적으로, 본딩 와이어(22)는 반도체 소자(21)의 전극(21B)을 다이 패드(3) 상에 형성된 4층 도금(15A)에 접속시킬 수 있다.
상기 실시예에서는, 4층 도금(15A)이, 밀봉 수지(23)에 의해 밀봉되는 다이 패드(3) 및 이너 리드(7) 상에 전체적으로 형성된다. 그러나, 본 발명은, 이러한 방식에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 12에 나타낸 리드 프레임(1B) 및 반도체 장치(20B)와 같이, 제3 도금층(13)(Ag 도금층)을 포함하는 4층 도금(15A)이, 밀봉 수지(23)에 의해 밀봉된 영역 내의 본딩 와이어(22)(본딩부)에 접속된 부분에만 도포될 수 있다. 이 경우, 3층 도금(15B)이, 밀봉 수지(23)에 의해 밀봉된 영역 내의 본딩부 외의 기판 프레임(2)(다이 패드(3) 및 이너 리드(7))에 도포된다. 이 구조는, 상기 실시예의 이점 (1)을 얻는다.
상기 실시예에서는, 반도체 장치(20)가 QFP에 사용되는 리드 프레임(1)을 포함하고, QFP 구조를 형성한다. 그러나, 본 발명은 이러한 방식에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 13에 나타낸 바와 같이, 본 발명은 리드 온 칩(Lead On Chip; LOC)용 리드 프레임(1C)을 포함하며 LOC 패키지 구조를 형성하는 반도체 장치(20C)로 실시될 수 있다. 반도체 장치(20C)에서는, 이너 리드(7)의 저면에 접착막(25A)이 접착되고, 반도체 소자(25)가 접착막(25A)에 접착되어, 리드 프레임(1C)(기판 프레임(2A))에 의해 반도체 소자(25)가 지지된다. 또한, 반도체 소자(25)의 전극(25B)이 본딩 와이어(22)에 의해 이너 리드(7)에 전기적으로 접속된다. 이너 리드(7), 이너 리드(7)에 의해 지지되는 반도체 소자(25), 및 본딩 와이어(22)가 밀봉 수지(23)에 의해 밀봉된다. 리드 프레임(1C)의 기판 프레임(2A)은, 이너 리드(7) 및 아우터 리드(8)를 포함하지만, 다이 패드는 포함하지 않는다.
이러한 구조를 갖는 반도체 장치(20C)에 사용되는 리드 프레임(1C)에서는, 밀봉 수지(23)에 밀봉될 영역의 적어도 와이어 본딩부 내의 기판 프레임(2A) 상에 4층 도금(15A)이 형성되고, 밀봉 수지(23)로부터 노출된 기판 프레임(2A) 부분(즉, 아우터 리드(8))에 3층 도금(15B)이 형성된다. 이 구조는, 또한 상기 실시예의 이점 (1)을 얻는다. 또한, 4층 도금(15A)은 밀봉 수지(23)에 의해 밀봉될 전체 영역에 걸쳐서 기판 프레임(2A)(즉, 이너 리드(7))에 형성될 수도 있다.
도 14에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 본 발명은 쿼드 플랫 논리디드 패키지(Quad Flat Non-leaded Package; QFN)에 사용될 쿼드 플랫 논리디드용 리드 프레임(30)을 포함하며 QFN 패키지 구조를 형성하는 반도체 장치(40)로 실시될 수 있다. 리드 프레임(30)에서는, 미리정해진 위치(도시한 예에서는 2개의 위치)에 개구(30X)가 배치된다. 리드 프레임(30)의 기판 프레임(31)은, 다이 패드(32)와, 이 다이 패드(32) 주위에 배치된 복수의 리드(33)를 포함한다. 개구(30X)는 다이 패드(32)와 리드(33)를 구획한다. 반도체 장치(40)는, 리드 프레임(30), 다이 패드(32) 상에 탑재된 반도체 소자(41), 반도체 소자(41)의 전극(41B)을 리드(33)에 전기적으로 접속하는 본딩 와이어(42), 및 반도체 소자(41)와, 본딩 와이어(42)와, 기판 프레임(31)의 일부를 커버하는 밀봉 수지(43)를 포함한다. 리드 프레임(30)의 두께보다 미리정해진 양만큼 얇은 두께를 갖도록, 밀봉 수지(43)가 리드 프레임(30)의 일측면(도시한 예에서는, 상측면)으로부터 개구(30X) 내에 충전된다. 밀봉 수지(43)로부터 노출된 리드(33)는 인쇄 배선 기판 등의 탑재 기판이 납땜되는 탑재면으로서 기능한다.
이러한 구조를 갖는 반도체 장치(40)에 사용되는 리드 프레임(30)에서는, 밀봉 수지(43)에 의해 밀봉될 영역 내의 리드(33) 및 다이 패드(32) 상에 4층 도금(15A)이 형성되고, 밀봉 수지(43)로부터 노출된 영역 내의 리드(33) 및 다이 패드(32) 상에 3층 도금(15B)이 형성된다. 또한, 이러한 구조는 상기 실시예와 동일한 이점을 얻는다. 밀봉 수지(43)에 의해 밀봉될 영역에서는, 적어도 본딩 와이어(42)가 와이어 본딩되는 부분에 4층 도금(15A)이 형성되면, 상기 실시예의 이점 (1)이 얻어진다.
또한, 본 발명은, 볼 그리드 어레이(BGA), 랜드 그리드 어레이(LGA) 등의 상이한 패키지 구조를 포함하는 수지 밀봉형 반도체 장치, 또는 이러한 반도체 장치에 사용되는 리드 프레임으로 실시될 수도 있다.
본 명세서에서 인용된 모든 예 및 조건부적인 언어는, 독자가 본 발명의 원리와 발명자가 기여하는 개념을 이해하기 쉽게 할 교육적인 목적을 의도하고 있고, 이러한 특정 예 및 조건에 한정되지 않는 것으로 해석되어야 하는 것이며, 본 명세서 내의 이러한 예들의 구성이 본 발명의 우수성 및 열등함을 나타내는 것에 관한 것은 아니다. 본 발명의 실시예들에 대하여 상세하게 설명했지만, 본 발명의 범주를 이탈하지 않고서 다양한 변경, 치환 및 대체가 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (6)

  1. 전극을 갖는 반도체 소자, 상기 반도체 소자의 상기 전극에 접속되는 본딩 와이어, 및 상기 반도체 소자 및 상기 본딩 와이어를 커버하여 밀봉하는 밀봉 수지를 포함하는 수지 밀봉형 반도체 장치의 리드 프레임으로서,
    복수의 리드를 포함하는 기판 프레임;
    상기 본딩 와이어에 접속되고 상기 밀봉 수지에 의해 밀봉되는 상기 기판 프레임의 부분에 도포되는 4층 도금으로서, Ni 또는 Ni 합금으로 형성되는 제1 도금층, Pd 또는 Pd 합금으로 형성되는 제2 도금층, Ag 또는 Ag 합금으로 형성되는 제3 도금층, 및 Au 또는 Au 합금으로 형성되는 제4 도금층을 포함하며, 상기 기판 프레임의 부분에 이 순서로 순차적으로 적층되는 4층 도금; 및
    상기 밀봉 수지로부터 노출되는 상기 기판 프레임의 노출 영역에 도포되는 3층 도금으로서, 상기 제1 도금층, 상기 제2 도금층 및 상기 제4 도금층을 포함하며, 상기 기판 프레임의 노출 영역에 이 순서로 순차적으로 적층되는 3층 도금
    을 포함하는 리드 프레임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판 프레임은 상기 반도체 소자가 탑재되는 다이 패드를 포함하는 리드 프레임.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 4층 도금은, 상기 밀봉 수지에 의해 밀봉되는 상기 기판 프레임의 밀봉 영역에 전체적으로 도포되는 리드 프레임.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 도금층은 0.05㎛ 이상 3.5㎛ 이하의 두께를 갖는 리드 프레임.
  5. 반도체 장치로서,
    제1항에 따른 리드 프레임;
    상기 반도체 소자;
    상기 반도체 소자의 전극과 상기 4층 도금을 전기적으로 접속하는 상기 본딩 와이어; 및
    상기 반도체 소자, 상기 본딩 와이어, 및 상기 리드들의 일부를 커버하여 밀봉하는 상기 밀봉 수지를 포함하는 반도체 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 본딩 와이어는 구리 와이어인, 반도체 장치.
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