KR0127034B1

KR0127034B1 - 반도체 패키지 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR0127034B1
Application number: KR1019940004983A
Authority: KR
Inventors: 권영신; 안승호
Original assignee: 김광호; 삼성전자주식회사
Priority date: 1994-03-14
Filing date: 1994-03-14
Publication date: 1997-12-29

Abstract

본 발명은 반도체 패키지 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 외부 접속 단자로서 복수개의 솔더 범프를 갖는 BGA 패키지(Ball Grid Array Package)로서 반도체 칩이 부착되는 캐리어 기판의 다이 패드에 캐리어 기판을 관통하여 복수개의 서멀 비어 홀을 형성하고, 서멀 비어 홀의 하부와 연결된 솔더 패드에 솔더 범프를 부착함으로서, 신뢰성 테스트 또는 외부 전자 장치에 실장하는 리플로우 솔더링 공정에서 패키지 내부에 흡수된 수분에 의한 증기압이 서멀 비어 홀과 솔더 패드에 부착된 솔더 범프를 통하여 효과적으로 방출할 수 있는 반도체 패키지 및 그 제조방법이 개시되어 있다.

Description

반도체 패키지 및 그 제조방법

제1도는 종래의 반도체 패키지의 일 실시예를 나타내는 단면도.

제2도는 본 발명에 따른 반도체 패키지의 단면도.

제3도 (가)~(다)는 본 발명에 따른 반도체 패키지를 제조하기 위한 공정순서를 나타낸 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

20 : 반도체 패키지21 : 캐리어 기판

22 : 서멀 비어 홀24 : 다이 패드

25 : 솔더 패드26 : 솔더 레지스트

27 : 접착 테이프28 : 접착제

29 : 반도체 칩31 : 본딩 와이어

32 : 패키지 몸체33 : 솔더 범프

PL : 패키지 리드BP : 본딩 패드

본 발명은 BGA 패키지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 캐리어 기판을 관통하는 서멀 비어 홀을 막는 솔더 레지스트를 제거하고 접착 테이프를 부착하여 다이 어태치시 접착제가 흘러내리지 않도록 함과 동시에 조립후 접착 테이프를 제거함으로써 BGA 패키지의 열방출 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 패키지 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근들어 모드 전자기기는 소형화 및 슬림화에 따라 고성능 또는 다기능화가 요구되고 있으며, 제한된 내부공간에 대용량의 메모리 장치를 효율적으로 실장할 수 있는 다양한 반도체 장치 및 그 실장방법이 요구되고 있으며, 상기 메모리 장치의 동작시 발생되는 열을 효과적으로 방출할 수 있는 방법이 끊임없이 요구되고 있는 실정에 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위한 하나의 방법으로 ASIC EDA PP.9~15, March. 1993에 개시되어 있는 MOTOROLA사의 OMPAC(Over Molded Pad Array Carrier) 패키지를 그 예로 들 수 있지만, 이와 같은 BGA 패키지는 2차원적 평면실장의 범주를 벗어나지 못하며, 캐리어 기판의 관통공에 솔더 범프가 직접 본딩된 관계로 열방출 또한 용이하지 않다.

상기한 종래기술의 다른 해결책으로 패드 어레이 캐리어 패키지(Pad Array Carrier Package)를 갖는 반도체 장치가 제1도에 도시되어 있다. 이러한 종래의 반도체 장치는 미국 특허공보 제5,216,278호에 개시된 것이다.

제1도는 BGA 패키지의 수직 단면도를 나타낸 것으로서, 캐리어 기판(11)은 다이 어태치 표면(7; die attach surface)과, 다이 어태치 표면(7)에 대향하면 패키지 실장 표면(8; package mounting surface)과, 복수개의 도금된 서멀 비어 홀(13; thermal via hole)을 갖는다. 여기서, 패키지 실장 표면(8)은 다이 어태치 표면(7)의 다이 패드(12; die pad)에 실장되는 반도체 칩(18)을 지지한다. 반도체 칩(16)은 본딩 와이어(17; bonding wire)와 패캐지 리드(14; package lead)에 의해 패키지 실장 표면(8)의 솔더 패드(6; solder pad)에 부착된 복수개의 솔더 범프(19; solder bump)와 전기적으로 연결된다. 솔더 레지스트(15; solder resist)는 서멀 비어 홀(13)의 상/하면과 패키지 실잘 표면(8)에 도포되며, 다이 어태치 표면(7)에 노출된 반도체 칩(16), 본딩 와이어(17), 패키지 리드(14)를 외부 환경으로부터 보호하기 위해 몰딩된 패키지 몸체(18)로 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 종래 기술에 따른 반도체 장치(10)는 패키지의 열방출 특성을 향상시키기 위하여 다이패드(12) 외측의 솔더 패드(6)측으로 서멀 비어 홀(13)이 형성되어 있다.

그러나, 캐리어 기판(11)의 제조공정 단계에서 다이패드(12)와, 반도체 칩(16)과 전기적으로 연결되는 패키지 리드(14)의 일부분과, 솔더 범프(19)가 형성될 솔더 패드(6)의 일정 크기를 제외한 캐리어 기판(11) 전표면에 솔더 레지스트(15)가 도포됨으로써 결과적으로 서멀 비어 홀(13)은 솔더 레지스트(15)로 덮게 된다.

상기한 반도체 장치(10)를 신뢰성 시험조건에서 테스트한 후, 리플로우 솔더링(reflow soldering)에 의해 외부 전자 장치에 실장할 때, 가열조건에 의해 흡습된 수분이 팽창하면서 발생하는 압력(증기압)을 외부로 방출하지 못하여 다이 어태치 표면(7)에서 박리(delamination) 현상에 의해 패키지 불량을 유발한다.

따라서, 본 발명의 목적은 반도체 패키지의 서멀 비어 홀을 통한 열방출 특성을 향상시켜 다이 어태치 표면에서 발생되는 박리 현상에 의한 패키지 불량을 해소하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 반도체 칩과; 패키지 실장 표면과 그에 반대되는 다이 어태치 표면을 갖는 캐리어 기판과; 상기 캐리어 기판을 관통하여 형성된 복수개의 서멀 비어 홀과; 상기 서멀 비어 홀이 형성된 다이 어태치 표면에 상기 반도체 칩을 부착하는 접착제와; 상기 반도체 칩이 부착된 부분에 대하여 이격된 다이 어태치 표면과 패키지 실장 표면에 연결되어 형성된 복수개의 패키지 리드와; 상기 반도체 칩과 상기 다이 어태치 표면 상의 패키지 리드를 전기적으로 연결하는 본딩 와이어와; 상기 서멀 비어 홀과 연결되어 상기 패키지 실장 표면에 형성된 복수개의 솔더 패드와;상기 서멀 비어 홀에 도입된 상기 접착제로 인한 상기 솔더 패드의 오염을 방지하기 위하여 상기 서멀 비어 홀 주위의 상기 솔더 패드에 도포된 솔더 레지스트와; 상기 다이 어태치 표면의 반도체 칩과, 본딩 와이어 및 상기 본딩 와이어와 연결된 패키지 리드가 봉지된 패키지 몸체; 및 상기 패키지 실장 표면 상의 패키지 리드와 솔더 패드에 부착된 복수개의 솔더 범프를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지를 제공한다.

또한 상기 목적을 달성하기 위하여, 패키지 실장 표면과 그에 반대되는 다이 어태치 표면을 갖는 캐리어 기판이 구비되며, 상기 캐리어 기판을 관통하여 복수개의 서멀 비어 홀을 형성하며, 상기 서멀 비어 홀을 포함하는 상기 다이 어태치 표면에 다이 패드를 형성하며, 상기 다이 패드에 대하여 이격되어 상기 다이 어태치 표면과 상기 패키지 실장 표면에 복수에 복수개의 패키지 리드를 연결 형성하며, 상기 다이 패드가 형성된 면에 반대되는 상기 패키지 실장 표면에 상기 서멀 비어 홀로 연결된 복수개의 솔더 패드를 형성하는 단계와; 상기 다이 패드 상의 서멀 비어 홀에 도입될 접착제로 인한 상기 솔더 패드의 오염을 방지하기 위하여 상기 서멀 비어 홀 주위의 상기 솔더 패드에 솔더 레지스트를 도포하고, 상기 패키지 실장 표면에 접착 테이프를 부착하는 단계와; 상기 다이 어태치 표면의 서멀 비어 홀과 상기 다이 패드 표면에 접착제를 도입한 상태에서 반도체 칩을 부착하여 상기 접착제를 경화하는 단계와; 상기 접착제가 경화된 이후에 상기 접착 테이프를 상기 패키지 실장 표면에서 제거하는 단계와; 상기 반도체 칩과 상기 다이 어태치 표면 상의 상기 패키지 리드를 본딩 와이어로 접속하는 단계와; 상기 반도체 칩, 본딩 와이어 및 상기 본딩 와이어로 연결된 상기 패키지 리드를 봉지하는 단계; 및 상기 패키지 실장 표면의 패키지 리드와 솔더 패드에 복수개의 솔더 범프를 형성하는 단계를 구비하는 반도체 패키지의 제조방법을 제공한다.

즉, 본 발명에 따른 반도체 패키지는 반도체 칩이 부착되는 다이 어태치 표면에 복수개의 서멀 비어 홀을 형성하고, 서멀 비어 홀의 하부가 솔더 레지스트에 의해 덮이지 않고 개방된 구조를 갖고 있으며, 서멀 비어홀의 하부와 연결된 솔더 패드에 솔더 범프를 형성하여 패키지에서 발생되는 열을 서멀 비어 홀과 솔더 패드를 통하여 효과적으로 방출할 수 있는 특징을 갖는다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.

제2도는 본 발명에 따른 반도체 패키지의 일 실시예에 나타낸 수직 단면도이다. 제2도를 참조하면, 반도체 패키지(20)는 반도체 칩(29), 캐리어 기판(21), 솔더 범프(33) 및 패키지 몸체(32)를 포함한다. 캐리어 기판(21)은 과, 다이 어태치 표면(7)에 반대되는 패키지 실장 표면(8)을 갖는다. 여기서, 패키지 실장 표면(8)은 다이 어태치 표면(7)의 다이 패드(24)에 실장되는 반도체 칩(29)을 지지한다. 반도체 칩(29)은 본딩 와이어(31)에 의해 다이 어태치 표면에 형성된 패키지 리드(PL)와 전기적으로 연결되며, 패키지 실장 표면의 패키지 리드(PL)에 부착된 복수개의 솔더 범프(19)와 전기적으로 연결된다. 패키지 몸체(32)는 다이 어태치 표면(7)에 노출된 반도체 칩(29), 본딩 와이어(31) 및 본딩 와이어(31)와 연결된 패키지 리드(PL)를 외부 환경으로부터 보호하기 위해 에폭시 수지로 봉지하 것이다. 한편, 전술된 구성요소 이외에도 캐리어 기판(21)을 관통하여 복수개의 서멀 비어 홀(22)이 형성되며, 서멀 비어 홀(22)은 반도체 칩(29)이 부착되는 다이 패드(24)에 형성된다. 그리고, 서멀 비어 홀(22)의 하부와 연결된 솔더 패드(25)에 복수개의 솔더 범프(343)가 형성된 구조를 갖는다.

반도체 패키지(20)에 대하여 좀더 상세히 설명하면, 캐리어 기판(21)의 다이 어태치 표면(7) 중에서 반도체 칩(29)이 부착될 부분에 복수개의 서멀 비어 홀(22)을 형성하고, 서멀 비어 홀(22)을 포함하는 다이 어태치 표면(7)의 소정의 영역에 다이 패드(24)를 형성하고, 다이 패드(24)에 대하여 이격된 다이 어태치 표면(7)과 패키지 실장 표면(8)에 복수개의 패키지 리드(PL)를 연결 형성하며, 다이 패드(24)가 형성된 면에 반대되는 패키지 실장 표면(8)에 서멀 비어 홀(22)과 연결된 복수개의 솔더 패드(25)를 형성한다. 여기서, 다이 패드(24), 패키지 리드(PL), 솔더 패드(25) 및 서멀 비어 홀(22)의 내면은 Cu/Ni/Au 순으로 도금되어 형성된 금속 패턴이다.

이와 같이 다이 패드(24)에 복수개의 서멀 비어 홀(22)이 형성되어 있기 때문에 다이 어태치 공정에서 액상의 접착제(28)를 다이 패드(24)에 도입할 때, 액상의 접착제(28)가 서멀 비어 홀(22)을 통하여 흘러내려 패키지 실장 표면(8)을 오염시킬 수 있기 때문에, 서멀 비어 홀(22)의 주위의 솔더 패드(25)에 댐 역할을 할 수 있는 솔더 레지스트(26)가 도포되어 있다. 그리고, 제3도의 (가), (나)에서 도시된 바와 같이 액상의 접착제(28)를 다이 패드(24)에 도입할 때 액상의 접착제(28)가 패키지 실장 표면(8)으로 흘러내리는 것을 방지하기 위하여 패키지 실장 표면(8) 전체에 접착 테이프(27)를 부착하여 다이 어태치 공정을 진행하게 된다.

반도체 칩(29)이 다이 패드(24)에 부착된 이후에 반도체 칩의 본딩 패드(BP)와 패키지 실장 표면(8)에 형성된 패키지 리드(PL)와 본딩 와이어(31)에 의해 전기적으로 접속하게 되며, 반도체 칩(29), 본딩 와이어(31) 및 본딩 와이어(31)로 연결된 패캐지 리드(PL)가 에폭시 수지로 봉지되어 패키지 몸체(32)가 형성된다.

패키지 실장 표면(8)의 패키지 리드(PL)와 솔더 패드(25)에 플럭스를 도포한 후, 적어도 하나 이상의 솔더 볼을 실장하여 리플로우 솔더링하면 소정 형상의 솔더 범프(33)가 형성된다. 이때, 패키지 리드(PL)에 형성된 솔더 범프(33)는 반도체 칩(29)과 연결되어 전기적 신호가 입·출력되는 신호 단자이며, 솔더 패드(25)에 형성된 솔더 펌프(33)는 서멀 비어 홀(22)과 연결되어 패키지(20)에서 발생되는 열을 외부로 방출하는 열방출 단자이다.

이와 같은 구조를 갖는 반도체 패키지(20)는 제3도에 나타낸 공정에 의거하여 제조됨을 알 수 있다.

제3도 (가)~(다)는 본 발명에 따른 반도체 패키지를 제조하기 위한 공정 순서를 나타낸 단면도이다.

먼저, 제3도 (가)를 참조하면, 패키지 실장 표면(8)과, 패키지 실장 표면(8)에 반대되는 다이 어태치 표면(7)을 갖는 캐리어 기판(21)이 구비된 상태에서, 반도체 칩(도시 생략됨)이 실장되는 다이 패드(24) 영역에 캐리어 기판(21)을 관통하여 복수개의 서멀 비어 홀(22)을 형성한다. 서멀 비어 홀(22)을 포함하는 다이어태치 표면(7)에 다이 패드(24)를 형성하고, 다이 패드(24)에 대하여 이격된 다이 어태치 표면(7)에 다이패드(24)를향하여 복수개의 패키지 리드(PL)를 형성하며, 다이 패드(24)가 형성된 면에 대향하는 패키지 실장 표면(8)에 서멀 비어 홀(22)로 연결된 복수개의 솔더 패드(25)를 형성한다. 이때, 패키지 리드(PL)는 다이 어태치 표면(7)뿐만 아니라 패키지 실장 표면(8)에도 형성되며, 다이 어태치 표면(7)과 패키지 실장 표면(8)에 형성된 패키지 리드(PL)는 캐리어 기판(21)의 외측면(23)을 통하여 연결되어 있다. 패키지 실장 표면(8)에 형성된 패키지 리드(PL)는 솔더 패드(25)에 이격된 영역에 형성된다. 다이 패드(24), 패키지 리드(PL), 솔더 패드(25) 및 서멀 비어 홀(22)의 내면은 Cu(18μm)/Ni(10μm)/Au(0.5μm) 순으로 도금되어 형성된 금속 패턴이다.

다음으로, 서멀 비어 홀(22) 주위의 솔더 패드(25)에 댐 역할을 할 수 있는 솔더 레지스트(26)가 도포된다. 그리고, 캐리어 기판(21)의 패키지 실장 표면(8)에 접착 테이프(27)를 부착시킨다. 여기서, 접착 테이프(27)는 서멀 비어 홀(22)의 내측으로 액상의 접착제(도시생략됨)가 도입되어 다이 어태치 공정을 진행할 때 액상의 접착제(28)가 경화되기 전에 흘러내리는 것을 방지하기 위하여 내열성을 갖는 자외선(UV; Ultraviolet) 테이프가 주로 사용된다.

다음, 제3도 (나)를 참조하면, 다이 어태치 공정을 진행하기 위하여 액상의 접착제(28)를 다이 패드(24)에 도입한 상태에서 반도체 칩(29)을 부착하고, 반도체 칩(29)이 부착된 캐리어 기판(21)을 150℃의 오븐(oven)내에서 1Hr정도 경화시킨다. 이때, 액상의 접착제(28)는 다이 패드(24)에 형성된 서멀 비어 홀(22)의 내측으로 충전되지만 서멀 비어 홀(22) 하부의 솔더 패드(25)에 도포된 솔더 레지스트(26)와 접착 테이프(27)에 의해 서멀 비어 홀(22)을 벗어나지 못한다.

접착제(28)의 경화 공정이 완료된 이후에 접착 테이프(27)를 패키지 실장 표면(8)에서 제거한 후, 반도체 칩의 본딩 패드(BP)와 다이 어태치 표면(7)의 패키지 리드(PL)와 본딩 와이어(31)로 전기적으로 접속한다.

그 다음, 제3도 (다)를 참조하면, 와이어 본딩 공정이 완료된 이후에 다이 어태치 표면(7)에 노출된 반도체 칩(29), 본딩 와이어(31) 및 본딩 와이어(31)와 연결된 패키지 리드(PL)를 액상의 에폭시 수지로 봉지하여 패키지 몸체(32)를 형성하는 성형 공정을 진행하게 되는데, 성형 공정은 175℃에서 5Hr 정도로 액상의 에폭시 수지를 경화시켜 패키지 몸체(32)를 형성하게 된다.

다음으로, 패키지 실장 표면(8)의 패키지 리드(PL)와 솔더 패드(25)에 플러스를 도포한 후 플러스 표면에 솔더 볼을 부착한 상태에서 리플로우 솔더링하여 소정 형상의 솔더 범프(33)를 형성한다. 솔더 범프(33)는 63:37 비율의 Sn/Pb 조성물 또는 62:36:2 비율의 Sn/Pb/Ag 조성물을 주로 사용하여 형성한다.

그리고, 반도체 패키지(20)의 조립을 완료한 상태에서 플러스 등의 잔유물을 제거할 수 있도록 솔벤트(solvent)로 세정한 후, 미리 정해진 크기대로 절단 가공함으로써 반도체 패키지(20)가 완성된다.

따라서, 본 발명의 구조를 따르면, 서멀 비어 홀이 반도체 칩이 부착되는 다이 패드에 형성되어 있기 때문에 반도체 패키지가 제조된 이후에 실시되는 신뢰성 테스트 또는 외부 전자 장치에 실장하기 위한 리플로우솔더링 공정에서 패키지 내부에 흡습된 수분에 의한 증기압이 서멀 비어 홀과 솔더 패드에 부착된 솔더 범프를 통하여 효과적으로 방출됨으로써 패키지 크랙을 방지하고 신뢰성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 반도체 패키지 및 그 제조방법은 캐리어 기판의 패키지 실장 표면의 패키지 리드와 솔더 패드에 솔더 볼을 실장하여 소정 형상의 솔더 범프를 다수 형성할 수 있기 때문에 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 실시예에 국한되지 않고 다양한 변조변화가 가능함은 자명하다.

Claims

반도체 칩과; 패키지 실장 표면과 그에 반대되는 다이 어태치 표면을 갖는 캐리어 기판과; 상기 캐리어 기판을 관통하여 형성된 복수개의 서멀 비어 홀과; 상기 서멀 비어 홀이 형성된 다이 어태치 표면에 상기 반도체 칩을 부착하는 접착제와; 상기 반도체 칩이 부착된 부분에 대하여 이격된 다이 어태치 표면과 패키지 실장 표면에 연결되어 형성된 복수개의 패키지 리드와; 상기 반도체 칩과 상기 다이 어태치 표면상의 패키지 리드를 전기적으로 연결하는 본딩 와이어와; 상기 서멀 비어 홀과 연결되어 상기 패키지 실장 표면에 형성된 복수개의 솔더 패드와; 상기 서멀 비어 홀에 도입된 상기 접착제로 인한 상기 솔더 패드의 오염을 방지하기 위하여 상기 서멀 비어 홀 주위의 상기 솔더 패드에 도포된 솔더 레지스트와; 상기 다이 어태치 표면의 반도체 칩과, 본딩 와이어 및 상기 본딩 와이어와 연결된 패키지 리드가 봉지된 패키지 몸체; 및 상기 패키지 실장 표면 상의 패키지 리드와 솔더 패드에 부착된 복수개의 솔더 범프를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지.
패키지 실장 표면과 그에 반대되는 다이 어태치 표면을 갖는 캐리어 기판이 구비되며, 상기 캐리어 기판을 관통하여 복수개의 서멀 비어 홀을 형성하며, 상기 서멀 비어 홀을 포함하는 상기 다이 어태치 표면에 다이 패드를 형성하며, 상기 다이 패드에 대하여 이격되어 상기 다이 어태치 표면과 상기 패키지 실장 표면에 복수개의 패키지 리드를 연결 형성하며, 상기 다이 패드가 형성된 면에 반대되는 상기 패키지 실장 표면에 상기 서멀 비어 홀로 연결된 복수개의 솔더 패드를 형성하는 단계와; 상기 다이 패드 상의 서멀 비어홀에 도입될 접착제로 인한 상기 솔더 패드의 오염을 방지하기 위하여 상기 서멀 비어 홀 주위의 상기 솔더패드에 솔더 레지스트를 도포하고, 상기 패키지 실장 표면에 접착 테이프를 부착하는 단계와; 상기 다이 어태치 표면의 서멀 비어 홀과 상기 다이 패드 표면에 접착제를 도입한 상태에서 반도체 칩을 부착하여 상기 접착제를 경화하는 단계와 ; 상기 접착제가 경화된 이후에 상기 접착 테이프를 상기 패키지 실장 표면에서 제거하는 단계와; 상기 반도체 칩과 상기 다이 어태치 표면 상의 상기 패키지 리드를 본딩 와이어로 접속하는 단계와; 상기 반도체 칩, 본딩 와이어 및 상기 본딩 와이어로 연결된 상기 패키지 리드를 봉지하는 단계; 및 상기 패키지 실장 표면의 패키지 리드와 솔더 패드에 복수개의 솔더 범프를 형성하는 단계를 구비하는 반도체 패키지의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 접착 테이프의 재질은 내열성인 UV 테이프인 것을 특징으로 하는 반도체 패키지의 제조방법.