KR19980025892A - 리드 프레임 및 이를 구비한 고방열 패키지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체칩의 집적도가 증가됨에 따라서 다핀의 반도체칩을 수용할 수 있을 뿐만 아니라 반도체칩의 동작에 의하여 발생되는 열을 외부로 방출시킬 수 있는 고방열 패키지 및 이에 사용되는 리드 프레임에 관하여 기재하고 있다. 리드 프레임은 반도체칩이 실장되는 다이 패드 및 열을 외부로 방출시키기 위한 히트 슬러그를 구비하고 있을 뿐만 아니라 상기 다이 패드와 히트 슬러그사이에 내재되어 있는 절연 기판을 구비하고 있다. 또한 고방열 패키지는 상기된 바와 같은 구성으로 이루어진 리드 프레임과, 상기 리드 프레임의 다이 패드상에 장착되고 복수개의 본딩 패드가 상부면에 형성된 반도체칩과, 상기 반도체칩을 외부 환경으로부터 보호하기 위한 밀봉재로 이루어져 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 고방열 패키지를 구성하는 리드 프레임은 세라믹 재질등과 같이 열팽창 계수가 상대적으로 낮은 절연 기판을 매개층으로 하여 반도체칩이 실장되는 금속 재질의 다이 패드와 반도체칩으로부터 발생되는 열을 외부로 방출시키는 금속 재질의 히트 슬러그를 구비하고 있으므로 상기 절연 기판에 의하여 상기 히트 슬러그의 열팽창을 억제시킴으로서 고방열 패키지에 크랙이 발생되는 것을 방지시킬 수 있고 그 결과 패키지의 신뢰성 및 성능을 향상시킨다.

Description

리드 프레임 및 이를 구비한 고방열 패키지

본 발명은 반도체칩이 실장되는 다이 패드를 갖는 리드 프레임 및 이를 구비한 고방열 패키지에 관한 것으로, 특히 다이 패드 및 열을 외부로 방출시키는 히트 슬러그를 구비한 리드 프레임 및 이를 구비하여서 상대적으로 높은 열팽창 계수에 의하여 크랙이 발생됨으로서 흡습 등에 의한 신뢰성이 저하되는 것을 방지시킬 수 있는 고방열 패키지에 관한 것이다.

일반적으로, 전자 기기가 대용량화되고 고집적화되는 추세에 부응하기 위하여 이러한 전자기기에 사용되는 반도체 소자의 집적도는 대폭적으로 증가하고 있다. 즉, 반도체 소자의 집적도 증가에 대한 요구를 만족시키기 위하여 보다 많은 수의 입출력핀을 구비한 반도체 소자가 개발됨으로서 이러한 반도체 소자를 실장시킬 수 있는 네방향 리드형 패키지(QFP; quad flat package)가 개발되고 있다. 한편, 이러한 반도체 소자의 동작시 발생되는 열에 의하여 반도체 소자의 기능이 저하되는 것을 방지시키기 위하여 패키지 특성중 특히 요구되고 있는 것이 고방열 특성이다.

따라서, 네방향 리드형 패키지의 고방열화를 위하여, 일반적인 플라스틱 몰드형 패키지에 있어서, 리드 프레임의 소재를 열전도도가 높은 재질로 변경시키거나 또는 에폭시 몰딩 수지(epoxy moulding compound)에 열전도도가 상대적으로 높은 알루미늄 니트라이트(AlN)로 이루어진 필러(filler)를 첨가시키는 방안이 연구되었다. 즉, 리드 프레임의 소재는 열전도도가 약 24W/K 정도인 합금 42 계통에서 열전도도가 약 390W/K 정도인 구리 합금 계열로 변경시켜서 패키지의 열방출 능력을 향상시켰다. 그러나, 상기된 바와 같이 리드 프레임의 소재를 변경시키는 것은 구리의 높은 열팽창 계수에 의하여 패키지의 안정성을 저하시키는 새로운 문제점을 야기시킨다. 또한, 반도체칩을 외부 환경으로부터 보호하기 위하여 봉지재로 사용되는 에폭시 몰딩 수지에 열전도도가 약 70 내지 300W/K 정도로 높은 AlN 재질의 필러를 첨가하여서 반도체칩의 동작시 발생되는 열이 상기 에폭시 몰딩 수지를 통하여 외부로 방출되도록 하였다. 그러나, 필러가 첨가된 몰딩 수지를 트랜스퍼 성형 장치에 적용하는 데 새로운 문제점을 야기시키므로 에폭시 몰딩 수지를 성형시키기 위하여 이러한 문제점을 우선적으로 해결하여야 하였다.

한편, 비록 상기된 바와 같은 많은 문제점을 해결하는 개선 방안이 적용된다 하더라도, 기존에 있는 플라스틱 몰딩 패키지에서 네방향 리드형 패키지의 구조하에서 열방출 능력의 향상에는 어느 정도 한계가 존재한다. 따라서, 이러한 패키지 구조하에서 열방출 능력의 한계를 극복하기 위하여 금속 재질로 이루어진 네방향 리드형 패키지(metal QFP)가 개발되었다. 이러한 금속형 패키지는 반도체칩을 외부 환경으로부터 보호하기 위한 봉지재가 금속으로 이루어져 있으므로, 금속이 갖는 높은 열전도 특성에 의하여 방열 특성이 양호하고 또한 금속의 높은 내구성에 의하여 패키지의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 그러나, 이러한 금속형 패키지는 제조 공정에서 대량 생산에 적합하지 않고 또한 생산 원가가 높기때문에 실용화하기에 많은 제약 사항이 따른다.

상기에서 언급된 플라스틱형 패키지 및 금속형 패키지에서 나타나는 단점을 보완하고 다핀화에 대한 요구를 수용할 수 있는 패키지에 대한 욕구를 수용하기 위하여 반도체칩이 장착되는 다이 패드의 역할을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 반도체칩의 동작시 발생되는 열을 외부로 방출시키는 방열판의 역할을 수행할 수 있는 리드 프레임을 구비한 플라스틱형 네방향 리드형 패키지(PQFP; plastic quad flat package)가 개발되었다. 이러한 플라스틱형 네방향 리드형 패키지는 방열판 작용을 하는 리드 프레임에 의하여 양호한 열전도 특성을 나타내고 또한 패키지에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 한편, 상기된 바와 같은 플라스틱형 네방향 리드형 패키지중에서 반도체칩의 동작시 발생되는 열을 직접 외부로 방출시킬 수 있도록 방열판이 외부에 노출된 히트 슬러그 타입(heat slug type) 플라스틱형 네방향 리드형 패키지의 방열 효과가 가장 뛰어나다. 그러나, 이러한 히트 슬러그 타입 플라스틱형 네방향 리드형 패키지를 구성하는 슬러그(slug)의 재질은 구리와 같은 금속으로 이루어져 있고 또한 두께가 두껍기 때문에, 상기 슬러그의 높은 열팽창 계수에 의하여 패키지에 크랙이 발생되고 그 결과 흡습 등에 의한 패키지의 신뢰도를 저하시키게 된다.

상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해소시키기 위한 본 발명의 기술적 과제는 반도체칩을 외부 환경의 영향하에서 특성이 저하되는 것을 방지시키기 위하여 패키지를 제조할 때, 집적도가 높은 반도체칩을 수용할 수 있는 고방열 패키지에 있어서, 반도체칩의 동작시 발생되는 열을 효과적으로 외부에 방출시킬 수 있도록 고방열 패키지에 히트 슬러그를 구비시킬 때 상기 히트 슬러그의 상대적으로 높은 열팽창 계수의 특성에 의하여 고방열 패키지에 크랙이 발생되고 그 결과 흡습 등에 의한 패키지의 신뢰성 저하를 방지시킬 수 있도록 열팽창 계수가 상대적으로 낮은 절연 기판을 구비한 리드 프레임 및 이를 구비한 고방열 패키지를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고방열 패키지를 개략적으로 도시한 단면도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 리드 프레임을 개략적으로 도시한 단면도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 리드 프레임을 도시한 평면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호 설명

100. 고방열 패키지.110. 리드 프레임

112. 다이 패드114. 절연 기판

116. 히트 슬러그120. 반도체칩

130. 밀봉재

상기된 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 복수개의 본딩 패드가 일면에 형성된 반도체칩이 실장되는 금속 재질의 다이 패드와, 상기 다이 패드의 하단에 부착되고 상기 다이 패드상에 실장되는 반도체칩의 본딩 패드에 전기적으로 연결되는 복수개의 리드가 상부면에 부착되어 있는 절연 기판과, 상기 절연 기판의 하단에 부착되어서 상기 반도체칩의 동작시 발생되는 열을 외부로 방출시키는 금속 재질의 히트 슬러그로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 리드 프레임을 제공한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수개의 본딩 패드가 상부면에 형성된 반도체칩과, 상기 반도체칩이 실장되는 다이 패드 및 열을 외부로 방출시키기 위한 히트 슬러그를 구비하고 상기 다이 패드와 히트 슬러그사이에 절연 기판이 내재되어 있는 리드 프레임과, 상기 반도체칩을 외부 환경으로부터 보호하기 위한 밀봉재로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 고방열 패키지가 제공된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고방열 패키지를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 리드 프레임을 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 리드 프레임을 도시한 평면도이다.

먼저, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 리드 프레임(110)은 복수개의 본딩 패드가 일면에 형성된 반도체칩(도시되어 있지 않음)이 실장되는 금속 재질의 다이 패드(112)와, 상기 다이 패드(112)의 하단에 부착되고 상기 다이 패드(112)상에 실장되는 반도체칩의 본딩 패드에 전기적으로 연결되는 복수개의 리드(a)가 상부면에 부착되어 있는 절연성 기판(114)과, 상기 절연성 기판(114)의 하단에 부착되어서 상기 반도체칩의 동작시 발생되는 열을 외부로 방출시키는 금속 재질의 히트 슬러그(116)로 이루어져 있다.

이때, 상기 절연성 기판(114)은 약 7.3×10^-6/℃ 정도의 열팽창 계수를 갖는 알루미나(Al₂O₃) 또는 약 4.5×10^-6/℃ 정도의 열팽창 계수를 갖는 알루미늄 니트라이트(AlN) 등과 같은 세라믹 재질로 이루어져 있다. 또한, 상기 다이 패드(112) 및 히트 슬러그(116)는 구리 등과 같은 도전성 금속으로 이루어져 있다. 여기에서, 상기 도전성 금속과 세라믹 재질을 접합시키기 위하여 DCB(direct copper bonding) 공정 및 브레이징(braszing) 공정을 사용한다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 리드 프레임은 구리 등과 같은 도전성 물질로 이루어져 있고 소정 두께를 갖는 판상의 금속 기판 상부에 소정 두께의 세라믹 기판을 상기된 바와 같은 DCB 공정 또는 브레이징 공정에 의하여 부착시킨 후 상기 세라믹 기판의 불필요한 부분을 에칭 등에 의하여 제거하며 이 후에 플레이팅(plating)시키는 후공정 처리에 의하여 제작된다. 또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 리드 프레임은 스템핑(stamping) 공정에 의하여 상기 세라믹 기판의 필요하지 않은 부분을 제거한 후 상기 DCB 공정 또는 브레이징 공정에 의하여 상기 금속 기판의 상부에 선처리된 세라믹 기판을 부착시키며 이 후에 플레이팅시키는 후공정 처리에 의하여 제작된다.

여기에서, 상기 세라믹 기판을 구성하는 알루미나(Al₂O₃)에 구리 등과 같은 도전성 금속을 직접 접합시키는 기술은 상기 DCB 공정 등과 같은 기술에 의하여 공지되어 있지만, 알루미늄 니트라이트(AlN)에 도전성 금속을 접합시키기 위하여 알루미늄 니트라이트로 이루어진 세라믹 기판상에 알루미나(Al₂O₃) 박막을 수㎛ 정도 형성시키기 위하여 상기 세라믹 기판은 티타늄 또는 지르코늄 등과 같이 원소 주기율표상의 Ⅳ족 금속을 중간 접합층으로 형성시키는 활성 금속 공정에 의해 선처리된다. 따라서, 상기 절연 기판(114)의 상대적으로 낮은 열팽창 계수에 의하여 상기 히트 슬러그(116)의 열팽창을 방지시킨다.

한편, 도 1을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 고방열 패키지(100)는 복수개의 본딩 패드가 상부면에 형성된 반도체칩(120)과, 상기 반도체칩(120)이 실장되는 다이 패드(112) 및 열을 외부로 방출시키기 위한 히트 슬러그(116)를 구비하고 상기 다이 패드(112)와 히트 슬러그(116)사이에 절연 기판(114)이 내재되어 있는 리드 프레임(110)과, 상기 반도체칩(120)을 외부 환경으로부터 보호하기 위한 밀봉재(130)로 이루어져 있다.

이때, 상기 리드 프레임(110)를 구성하는 절연 기판(114)은 약 7.3×10^-6/℃ 정도의 열팽창 계수를 갖는 알루미나(Al₂O₃) 또는 약 4.5×10^-6/℃ 정도의 열팽창 계수를 갖는 알루미늄 니트라이트(AlN) 등과 같은 세라믹 재질로 이루어져 있고, 상기 다이 패드(112) 및 히트 슬러그(116)는 구리 등과 같은 도전성 금속으로 이루어져 있다. 여기에서, 상기 절연 기판(114)과 다이 패드(112) 및 히트 슬러그(116)는 DCB 공정 또는 브레이징 공정에 의하여 상호 접합된다. 또한, 상기 밀봉재는 에폭시 몰딩 수지로 이루어져 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 밀봉재는, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 리드 프레임(110)을 구성하는 히트 슬러그(116)을 완전히 밀봉시키는 구조로 이루어져 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 밀봉재는 상기 히트 슬러그(116)의 하단부를 외부에 노출시키는 구조로 이루어질 수 있다. 한편, 상기 반도체칩(120)의 상부면에 형성된 본딩 패드와 도전성 와이어 등과 같은 도전체(도시되어 있지 않음)를 통하여 전기적으로 연결되는 리드가 도시되어 있지 않지만, 도 4에 예시되어 있는 바와 같이, 상기 리드가 접착제를 매개하여서 상기 절연 기판(114)에 부착된다는 것을 당업자는 인식할 수 있다.

한편, 상기된 바와 같이, 상기 리드 프레임(110)을 구성하는 절연 기판(114)의 열팽창 계수는 상대적으로 낮은 값을 가지므로 상기 다이 패드(112)상에 실장되어 있는 반도체칩(120)의 동작시 발생되는 열에 의하여 상대적으로 높은 열팽창 계수를 갖는 상기 다이 패드(112) 및 히트 슬러그(116)를 구성하는 도전성 금속이 열팽창되는 것을 방지시킬 수 있으며 그 결과 고방열 패키지에 크랙이 발생되는 것을 방지시킨다. 또한, 상기 히트 슬러그(116)의 높은 열전도도에 의하여 상기 반도체칩(120)의 동작시 발생되는 열을 외부로 방출시킬 수 있다.

이상, 상기 내용은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 첨부된 청구 범위에 기재된 본 발명의 요지 및 사상을 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면, 고방열 패키지를 구성하는 리드 프레임은 세라믹 재질등과 같이 열팽창 계수가 상대적으로 낮은 절연 기판을 매개층으로 하여 반도체칩이 실장되는 금속 재질의 다이 패드와 반도체칩으로부터 발생되는 열을 외부로 방출시키는 금속 재질의 히트 슬러그를 구비하고 있으므로 상기 절연 기판에 의하여 상기 히트 슬러그의 열팽창을 억제시킴으로서 고방열 패키지에 크랙이 발생되는 것을 방지시킬 수 있고 그 결과 패키지의 신뢰성 및 성능을 향상시킨다.

Claims (8)

1. 복수개의 본딩 패드가 일면에 형성된 반도체칩이 실장되는 금속 재질의 다이 패드와;

   상기 다이 패드의 하단에 부착되고 상기 다이 패드상에 실장되는 반도체칩의 본딩 패드에 전기적으로 연결되는 복수개의 리드가 상부면에 부착되어 있는 절연 기판과;

   상기 절연 기판의 하단에 부착되어서 상기 반도체칩의 동작시 발생되는 열을 외부로 방출시키는 금속 재질의 히트 슬러그로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
2. 제1항에 있어서, 상기 절연 기판은 상대적으로 낮은 열팽창 계수를 갖는 세라믹 재질로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
3. 제2항에 있어서, 상기 절연 기판은 알루미나로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
4. 제2항에 있어서, 상기 절연 기판은 알루미늄 니트라이트로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 리드 프레임.
5. 복수개의 본딩 패드가 상부면에 형성된 반도체칩과;

   상기 반도체칩이 실장되는 다이 패드 및 열을 외부로 방출시키기 위한 히트 슬러그를 구비하고 있으며, 상기 다이 패드와 히트 슬러그사이에 절연 기판이 내재되어 있는 리드 프레임과;

   상기 반도체칩을 외부 환경으로부터 보호하기 위한 밀봉재로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 고방열 패키지.
6. 제5항에 있어서, 상기 절연 기판은 상대적으로 낮은 열팽창 계수를 갖는 세라믹 재질로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 고방열 패키지.
7. 제6항에 있어서, 상기 절연 기판은 알루미나로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 고방열 패키지.
8. 제6항에 있어서, 상기 절연 기판은 알루미늄 니트라이트로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 고방열 패키지.