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2024년 10월 11일 (금) 16:27 판

리드프레임(lead frame)
해성디에스가 릴투릴(Reel to Reel)방식으로 생산하는 차량반도체 기판 리드프레임(자료=해성디에스)

리드프레임(lead frame)은 반도체 칩과 외부 회로를 연결하는 전선(lead)과 반도체 패키지를 기판에 고정시키는 버팀대(frame) 역할을 하는 금속기판이다.

반도체 집적회로를 구성하는 핵심부품으로, 가는 전선(lead)으로 칩과 연결되어 반도체 칩과 기판 사이에 전기신호를 전달하고, 외부의 습기나 충격 등으로부터 칩을 보호 및 지지하는 골격 역할을 한다.

개요

리드프레임은 반도체 칩과 외부 회로를 전기적으로 연결하고 반도체 패키지 내에서 칩을 지지해 주는 금속 기판이다. 리드프레임은 다이에서 외부로 신호를 전달하는 칩 패키지 내부의 금속 구조로 DIP, QFP 및 가장자리에서 칩에 대한 연결이 이루어지는 기타 패키지에 사용된다.

리드프레임은 다이가 배치되는 중앙 다이 패드로 구성되며 다이에서 외부 세계로 이어지는 금속 전도체와 리드로 둘러싸여 있다 . 다이에 가장 가까운 각 리드의 끝은 본드 패드에서 끝난다. 작은 본드 와이어는 다이를 각 본드 패드에 연결한다. 기계적 연결은 이러한 모든 부품을 견고한 구조로 고정하여 전체 리드 프레임을 자동으로 쉽게 처리할 수 있도록 한다.

리드프레임 패키지 발전

리드프레임 패키지. 반도체 칩의 외부 인출을 하기 위한 금속선. 반도체 칩에 Wire bonding을 통해 리드프레임을 다른 전자 부품들이 놓여있는 보드 혹은 회로에 연결함
고도화된 리드프레임 패키지
1970년대 Lead Frame 리드프레임 형태
  • 지네 다리 모양의 초창기 반도체 패키지
  • 리드프레임이 다른 외부의 어떠한 전자부품들과 연결
  • 다른 부품들이 꽂혀있는 보드 혹인 회로에 꽂는다
고도화된 리드프레임 패키지(1980 ~ 1990년대)
  • 전자기기 고도화에 의해 전기적 인출 빠른 반도체 필요성
  • 초창기 대비 리드프레임 개수 증가
  • 단순한 구조에 따른 낮은 단가와 제조의 용이성으로 현재도 사용중
  • 리드프레임 패키지는 굉장히 튼튼하다는 장점이 있음
BGA(Ball Grid Arreay) 패키지의 출현 (1990년대 ~)
  • 전자기기의 소형화와 고도화가 진행 되면서 리드프레임으로 진행 불가
  • 리드프래임 패키지보다 더욱 빠른 전기적 인출이 가능한 BGA 출시
  • BGA 타입의 패키지는 반도체 칩을 PCB 기판에 연결하고 기판의 하단에 수많은 Solder ball 들이 전제 하는 타입의 반도체 패키지를 의미
onventional pacakge - BGA 타입 반도체 패키지
  • 실생활에 밀접한 전자제품들은 거의다 BGA 사용
  • 자동차 & TV 등 대형 전자제품의 경우 리드프레임 패키지들 사용 되고 있음

구성 요소

리드프레임은 일반적으로 다음과 같은 요소로 구성됩니다:

  • 다이 패드(Die Pad) : 실리콘 칩이 부착되는 금속 부분이다. 칩을 물리적으로 지지하며, 열을 방출하는 역할을 한다. 다이 패드는 보통 패키지의 중앙에 위치하며, 열 전도성을 높이기 위해 크기가 크다.
  • 리드 핀(Lead Pin) : 다이 패드의 주변에 위치하고, 반도체 칩의 본드 패드와 외부 회로의 핀이나 소켓과 연결되는 금속 전도체이다. 리드는 전기 신호의 흐름을 가능하게 한다.
  • 본드 패드 : 리드의 한쪽 끝에 위치하고 , 반도체 칩의 본드 패드와 연결되는 부분이다. 본드 패드는 작은 본드 와이어로 다이와 연결된다 .
  • 본드 와이어 : 반도체 칩의 본드 패드와 리드의 본드 패드를 연결하는 작은 금속선이다. 본드 와이어는 전기적 연결을 제공한다.
  • 댐바 : 리드와 직각으로 연결되어, 리드를 지지하고, 리드의 간격을 유지하는 부분이다. 댐바는 리드의 변형을 방지한다.

리드프레임의 소재

리드 프레임의 소재는 철-니켈 합금과 구리 합금으로 대변된다.

철-니켈 (Fe-Ni) 합금

42 니켈-철 합금을 일반적으로 Alloy42라고 칭한다. Alloy 42의 열팽창률이 실리콘과 비교적 잘 일치하며, 리드 프레임으로써 적당한 기계적 특성을 갖고 있는 점, 그리고 열 전도율이 순동에 비하여 낮다는 점 등의 이유로 고신뢰성이 요구되는 IC용 리드프레임을 중심으로 폭 넓게 이용되고 있다.

구리 (Cu) 합금

고출력 트랜지스터 및 파워 IC 등 에서 동합금 재료 선택의 주이유는 Alloy42에 비해 열 전도성, 전기 전도성, 기계적 성질, 에폭시 (Epoxy)와의 밀착성 등의 특성과 가격 밸런스가 좋아서 사용하지만 상온에서 쉽게 산화되는 단점이 있다.

리드 프레임의 종류

QFP 패키지용 리드 프레임
DIP (Dual Inline Package)

사각 패키지 양쪽에 리드 (Lead)가 나와 있는 IC 패키지로써 가장 기본적인 타입으로 PCB의 홀 (Hole)을 통하여 실장되는 관통 홀 타입 패키지 (Through Hole Package)이다. 리드 간격 (Lead Pitch)는 100mm 이며, 적은 수의 Pin 삽입형에서 대표적인 패키지이다.

SIP (Single Inline Package)

리드가 패키지의 한 쪽으로 인출된 구조의 패키지로 대개 파워 IC용으로 사용되며, 리드 간격은 100mm 이다.

쉬링크 SIP (Shrink SIP)

리드 간격이 70mm인 SIP 이다.

ZIP (Zigzag Inline Package)

리드가 패키지 본체에서 한쪽 방향으로 50mm 리드 간격으로 나와서 리드를 패키지 면에서 교대로 구부려 리드 간격을 100mm 로 하는 패키지이다.

SOP (Small Outline Package)

패키지 양쪽으로 리드를 인출하고 리드를 갈매기 날개형으로 성형한 표면 실장형 패키지이다. 리드 간격은 50mm이다.

QFP(Quad flat pack)

QFP의 경우 반도체 초기 패키징 방식이지만 지금도 많이 사용되고 있다. 특히, 내구성이 매우 뛰어나 현재 "차량용/가전용" 등에 많이 활용되고 있다.

TSOP (Thin-SOP)

1986년 Mitubishi사가 개발한 패키지로 실장 면적을 줄이기 위하여Small outline IC 패키지의 두께를 1mm로 하고 리드 간격을 줄인 형태의 패키지이다. TSOP-1 형은 리드가 패키지의 짧은 모서리 양쪽으로 인출된 모양의 패키지로 높이가 낮기 때문에 노트북이나 기타 실장 밀도를 높이는 곳에 사용된다.

리드프레임 제조 공정

리드프레임은 반도체 칩과 외부 회로를 전기적으로 연결하고 반도체 패키지 내에서 칩을 지지해 주는 금속 기판이다. 리드프레임의 제조공정은 다음과 같은 단계로 이루어진다 .

  • 스탬핑 : 금형을 이용하여 리드프레임 소재를 타발하여 제품 형상을 만드는 공정이다. 리드프레임의 다이 패드, 리드 , 댐바 등의 구조가 형성된다 .
  • 도금 : 리드프레임에 귀금속을 도금하는 공정이다 . 도금은 반도체 칩과의 전기적 연결과 부식 방지를 위해 필요하다. 도금 종류에는 Ag, Au, Pd, Ni 등이 있다 .
  • 다이 접착 : 반도체 칩을 리드프레임의 다이 패드에 접착하는 공정이다 . 접착제로는 전기가 통하는 실버 에폭시나 전기가 통하지 않는 일반 에폭시 등이 사용된다. 열을 가하여 접착제를 경화시킨다 .
  • 와이어 본딩' : 반도체 칩의 본드 패드와 리드프레임의 본드 패드를 작은 금속 선으로 연결하는 공정이다. 본드 와이어로는 Au, Al, Cu 등이 사용된다 . 본드 와이어는 전기적 연결을 제공한다.
  • 몰딩 : 리드프레임에 에폭시 수지를 주입하여 반도체 칩을 보호하는 공정이다. 몰딩은 외부의 습기나 충격 등으로부터 칩을 보호하고 열을 방출하는 역할을 한다.
  • 트리밍 / 포밍 : 리드프레임의 불필요한 부분을 제거하고 , 리드의 형상을 조정하는 공정ㅣ다. 트리밍은 리드프레임의 외곽선을 잘라내는 공정이고, 포밍은 리드를 구부리거나 평평하게 만드는 공정이다 .
  • 테스트 : 리드프레임의 전기적 성능과 품질을 검사하는 공정이다. 테스트는 전류, 전압, 저항, 용량 등을 측정하고 결함이나 불량을 찾는다.

리드프레임의 원리와 역할

리드프레임은 반도체 칩과 외부 회로를 전기적으로 연결하는 역할을 한다 . 반도체 칩은 다양한 기능을 수행하는 집적회로로 전기 신호를 입력받아 처리하고 출력한다. 그러나 반도체 칩 자체는 외부와의 연결이 불가능하기 때문에 , 리드프레임과 같은 부품이 필요하다. 리드프레임은 반도체 칩의 본드 패드와 외부 회로의 핀이나 소켓과 연결되어 , 전기 신호의 흐름을 가능하게 한다. 또한 리드프레임은 반도체 칩을 지지하고 외부의 습기나 충격 등으로부터 칩을 보호하는 역할도 한다. 리드프레임은 반도체 패키지의 핵심 부품으로, 반도체 칩의 성능과 신뢰성에 큰 영향을 미친다.

리드프레임 관련 기업

  • HLB 이노베이션 : 2001년 코스닥에 상장된 기업으로 세계 10위권의 리드프레임 공급업체이다. 세계시장 점유율은 약 4% 이며 매출은 리드프레임 약 64%, 금형, 부품 등 기타 36% 가량으로 구성된다. 또한 그래핀 연구개발에도 힘을 쏟고 있다.
  • 해성디에스 : 1980년대에 본격적으로 반도체 산업에 진출한 기업으로 세계 최고 수준의 Lead Frame, PKG Substrate 등 반도체 핵심 부품 설계와 생산 원천 기술을 확보하고 있다. 전체 생산물량의 90%를 수출하며, 글로벌 반도체 시장에서 품질 경쟁력을 인정받고 있다. 해성디에스는 "2027년 리드프레임 세계 1위 목표"를 가지고 있다.
  • 원익 IPS : 2012년 코스닥에 상장된 기업으로 리드프레임 제조 및 판매를 주 사업으로 하고 있다. 또한 반도체 장비, 태양광 장비, 디스플레이 장비 등도 생산하고 있다 .

참고자료

같이 보기


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