KR0127737B1 - 볼 그리드 어레이(Ball Grid Array) 반도체 패키지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼 그리드 어레이 반도체 패키지에 관한 것으로, 회로기판 상에 실장되는 반도체 칩을 기존의 와이어 본딩 방법이 아닌 플립 칩(Flip Chip ; 반도체 칩을 기판 상에 회로부가 아래로 향하도록 뒤집어서 실장하는 기술)의 방법으로 실장하는 동시에, 기존의 몰딩금형을 그대로 이용하여 봉지재로 방열판을 상기한 반도체 칩에 일체로 몰딩되도록 성형함으로서 반도체 패키지의 대량생산이 가능하여 생산성을 향상시킬 수 있음은 물론, 상기한 회로기판에는 신호전달을 위한 스루훌과는 별도로 방열홈을 형성하고, 이 방열홈의 하부에 솔더볼을 융착함으로서, 방열효과를 극대화시켜 제품의 신뢰성을 높이도록 된 것이다.

Description

볼 그리드 어레이(Ball Grid Array) 반도체 패키지

본 발명은 볼 그리드 어레이(Ball Grid Array ; BGA) 반도체 패키지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회로기판 상에 실장되는 반도체 칩을 기존의 와이어 본딩 방법이 아닌 플립 칩(Filp Chip ; 반도체 칩을 기판 상에 회로부가 아래로 향하도록 뒤집어서 실장하는 기술)의 방법으로 실장하는 동시에, 기존의 몰딩금형을 그대로 이용하여 봉지재로 방열판을 상기한 반도체 칩에 일체로 몰딩되도록 성형함으로서 반도체 패키지의 대량생산이 가능하여 생산성을 향상시킬 수 있음은 물론, 상기한 회로기판에는 신호전달을 위한 스루홀과는 별도로 방열홈을 형성하고, 이 방열홈의 하부에 솔더볼을 융착함으로서, 방열효과를 극대화시켜 제품의 신뢰성을 높이도록 된 것이다.

일반적으로 반도체 패키지는 반도체 칩의 급격한 기능향상과 소형화에 따라 극도로 경박단소화 되어가고 있으며, 에이직(ASIC ; Application-Specific Integrated Circuit)이나, 마이크로 프로세서(Micrpr-ocessor)등의 로직 칩(Logic Chip)은 경박 단소화 뿐만 아니라, 다핀화 되어감에 따라 듀얼타입(Dual Type ; 리드가 양측 2방향에 형성된 제품)의 반도체 패키지에서 쿼드타입(Qua Type ; 리드가 4방향에 형성된 제품)의 반도체 패키지로 변화 대응하게 되었다.

또한, 반도체 칩의 발달에 따라 상기한 에이직이나 마이크로 프로세서가 복잡해짐에 따라 반도체 패키지의 성능은 반도체 칩에서 발생하는 열을 효과적으로 방출시키고, 반도체 패키지의 자체내에서 유발되는 전기적 신호의 적체현상을 최대한 감소시키며, 반도체 패키지의 제조원가를 줄이는 부분에 중점을 두고 있으며, 상기의 사항을 해결하기 위하여 내부에 방열판을 내장시켜 방열성을 향상시킨 반도체 패키지와, 전기적 향상 및 물리적 집적도를 향상시킨 볼 그리드 어레이 반도체 패키지가 개발되어 있는 실정이다.

이러한 종래의 반도체 패키지에 대한 구조를 도 1과 도 2를 참조하여 일반적인 반도체 패키지와, 볼 그리드 어레이 반도체 패키지에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 일반적인 반도체 패키지의 내부에 방열판이 내장된 상태를 도시한 단면도로서, 그 구조는 내부에는 전자회로가 집적되어 있고, 이 전자회로의 신호를 인출하기 위한 본드패드가 형성된 일면과 그 반대면을 가지고 있는 반도체 칩(11)과, 상기한 반도체 칩(11)의 본드패드가 형성된 반대면에 부착된 방열판(16)과, 상기 반도체 칩(11)의 신호를 외부로 전달할 수 있는 다수의 리드(14)와, 상기 반도체 칩(11)과 리드(14)를 전기적으로 연결하여 신호를 전달하는 와이어(13)와, 상기한 반도체 칩(11)과 그 외 주변 구성품들을 외부의 산호 및 부식으로부터 보호하기 위하여 그 외부를 감싼 봉지재(15)로 이루어지는 것이다.

그러나, 상기의 반도체 패키지는 반도체 칩(11)이 점차적으로 고성능화되어 가면서 핀(리드)의 수가 더욱 더 많아지게 되는데 비하여, 서로 인접된 핀과 핀의 거리를 일정치 이하로 좁히는 것은 기술적으로 어려움이 있기 때문에 많은 핀을 모두 수용하기 위해서는 반도체 패키지가 커지게 되는 단점이 있다. 이것은 반도체 패키지의 소형화 추세에 역행하는 결과를 낳는 문제점이 있는 것이다.

이와 같이 다핀화에 따른 기술적 요구를 해결하기 위해서 등장한 것이 볼 그리드 어레이 반도체 패키지로서, 이는 입출력 수단으로서 반도체 패키지의 일면 전체에 융착된 솔더볼을 이용함으로써 종래의 반도체 패키지 보다 많은 수의 입출력 신호를 수용할 수 있음은 물론, 그 크기도 작게 형성된 것이다.

이러한 볼 그리드 어레이 반도체 패키지의 구성은 도 2에 도시된 바와 같이 상면에는 회로패턴(22a)이 형성되고, 이 회로패턴(22a)을 보호하기 위해 솔더마스크(22b)가 코팅된 회로기판(22)과, 상기 회로기판(22)의 상면 중앙부에 부착되며, 내부에는 전자회로가 집적되어 있고, 이 전자회로의 신호를 인출하기 위한 본드패드가 형성된 일면과 그 반대면을 가지고 있는 반도체 칩(21)과, 상기한 반도체 칩(21)과 상기한 회로기판(22)의 회로패턴(22a)을 전기적으로 연결하여 신호를 전달하는 와이어(23)와, 상기한 회로기판(22)의 회로패턴(22a)과 연결되어 외부로 신호를 전달할 수 있도록 회로기판(22)의 저면에 융착된 솔더볼(24)과, 상기한 반도체 칩(21)과 그 외 주변 구성품들을 외부의 산화 및 부식으로부터 보호하기 위하여 그 외부를 감싼 봉지재(25)로 이루어지는 것이다.

그러나, 이러한 볼 그리드 어레이 반도체 패키지는 내부에 내장된 반도체 칩(21)의 크기에 비해서 패키지의 크기가 몇 배 이상 크기 때문에 전자제품들을 소형화시키기에는 한계가 있었던 것이다. 또한, 반도체 칩(21)과 회로기판(22)의 회로패턴(22a)을 전기적으로 연결하여 신호를 전달하는 와이어(23)는 상당히 가는 금속선(대략 1∼1.3mil)으로 되어 있음으로서 가격 상승의 요인이 되었던 것이다.

뿐만 아니라, 외부의 산화 및 부식으로부터 보호하기 위하여 봉지재(25)로 몰딩하는 공정에서 상기한 와이어(23)가 쏠림 현상이 발생되어 인접한 와이어(23)와 접촉되거나 끊어지는 등의 문제가 발생할 수 있으며, 고온의 작업 환경하에서 진행되는 여러 공정을 거치면서 이종 재료 간의 열적불일치(Thermal Mismatch)에 의한 박리현상에 의해 상기한 와이어(23)가 끊어지는 등 많은 문제점과 자재가 몰딩되기 전까지 와이어에 충격이 손상 및 가지 않도록 세심한 취급이 되어야 하는 것이다. 특히, 와이어(23)를 이용하는 경우에는 전체 시그널의 처리속도가 떨어지는 단점이 있었던 것이다.

상기한 반도체 패키지의 구조가 갖는 재결함을 해결하기 위하여 회로기판 상에 실장되는 반도체 칩을 기존의 와이어 본딩 방법이 아닌 다른 방법으로 실장된 기술이 일본국 공개특허공보 평1-96952호(1989. 4.14)에서 기밀봉지 칩 캐리어가 개시된 바 있다.

이러한 기밀봉지 칩 캐리어의 구조는 회로기판의 주위에 집적회로 칩을 둘러싸는 것처럼 틀모양의 부재를 설치함과 동시에 집적회로 칩 상에 방열용 히트싱크(방열판)를 설치하고, 틀모양 부재와 히트싱크와의 사이에 봉지수지를 충진한 것이다. 또한, 상기한 봉지수지의 표면이 저융점금속으로 피복되어 있는 것이다.

그러나, 상기한 기밀봉지 칩 캐리어는 틀모양의 부재를 사용하여 회로기판과 집적회로 칩 및 방열판을 밀봉함으로써, 그 구성 부품수가 많아져 전체적인 구조가 복잡하고, 틀모양의 부재를 설치함에 따른 공정수의 추가 및 공정이 복잡해지는 등의 단점이 내포되어 있던 것이다.

즉, 이러한 기밀봉지 칩 캐리어는 집적회로 칩을 미세한 솔더단자를 끼워서 기판에 접속함으로써 와이어로 신호를 전달하는 단점을 해결하고, 히트싱크에 의해 열을 방열함으로써 종래의 패키지가 갖는 체결함을 어느 정도는 해결할 수 있었으나, 결정적으로 상기의 기밀봉지 칩 캐리어는 회로기판과 집적회로 칩 및 방열판을 밀봉하기 위하여 봉지수지로 충진하는 공정을 자동화할 수 없는 이유로 수작업에 의해 진행됨으로서 대량생산이 불가능하여 생산성이 떨어지는 문제점이 있었던 것이다.

본 발명의 목적은 이와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로서, 회로기판 상에 실장되는 반도체 칩을 기존의 와이어 본딩 방법이 아닌 플립 칩의 방법으로 실장하는 동시에, 기존의 몰딩금형을 그대로 이용하여 봉지재로 방열판을 상기한 반도체 칩에 일체로 몰딩되도록 성형함으로서 반도체 패키지의 대량생산이 가능하여 생산성을 향상시킬 수 있음은 물론, 상기한 회로기판에는 신호전달을 위한 스루홀과는 별도로 방열홈을 형성하고, 이 방열홈의 하부에 솔더볼을 융착함으로서, 방열효과를 극대화시켜 제품의 신뢰성을 높일 수 있도록 된 볼 그리드 어레이 반도체 패키지를 제공함에 있다.

도 1은 종래의 일반적인 반도체 패키지의 구조를 나타낸 단면도.

도 2는 종래의 볼 그리드 어레이 반도체 패키지의 구조를 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 볼 그리드 어레이 반도체 패키지의 구조를 나타낸 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

31 : 반도체 칩32 : 회로기판

32a : 회로패턴32b : 솔더마스크

32c : 스루홀32d : 방열홈

33 : 도전체34a,34b : 제1,2솔더볼

35 : 봉지재36 : 방열판

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 볼 그리드 어레이 반도체 패키지의 구조를 나타낸 단면도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 볼 그리드 어레이 반도체 패키지의 구조는 표면에는 회로패턴(32a)이 형성되고, 이 회로패턴(32a)을 보호하기 위해 솔더마스크(32b)가 코팅되어 있으며, 상기한 회로패턴(32a)은 스루홀(32b)에 의해 상하부가 연결되어 신호를 전달하고, 중앙 부분에는 상하를 관통하는 별도의 방열홈(32d)이 형성되어 있는 회로기판(32)과, 상기한 회로기판(32)의 상면 중앙부에 실장되며, 내부에는 전자회로가 집적되어 있고, 이 전자회로의 신호를 인출하기 위한 본드패드가 형성된 일면과 그 반대면을 가지고 있는 반도체 칩(31)과, 상기한 반도체 칩(31)과 상기한 회로기판(32)의 회로패턴(32a)을 전기적으로 연결하여 신호를 전달하는 도전체(33)와, 상기한 회로기판(32)의 회로패턴(32a)과 연결되어 반도체 칩(31)의 신호를 상기한 스루홀(32c)을 통하여 외부로 전달하도록 회로기판(32)의 저면에 융착되어 있는 제1솔더볼(34a)과, 상기한 반도체 칩(31)의 회로 동작시 발생되는 열을 상기한 회로기판(32)의 중앙 부분에 형성된 별도의 방열홈(32d)을 통하여 회로기판(32)의 저면으로 신속히 방출하도록 상기한 방열홈(32d)의 하부에 융착되어 있는 제2솔더볼(34b)과, 상기한 반도체 칩(31)의 회로 동작시 발생되는 열을 반도체 칩(31)의 상부 방향으로 신속히 방출하도록 상기한 반도체 칩(31)의 본드패드가 형성된 반대면에 부착되어 있는 방열판(36)과, 상기한 반도체 칩(31)과 그 외 주변 구성품들을 외부의 산화 및 부식으로부터 보호하도록 상기한 반도체 칩(31)과 상기한 방열판(36)을 일체로 몰딩하되, 상기한 방열판(36)의 상면은 외부로 노출되도록 몰딩된 봉지재(35)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 도전체(33)는 상기한 반도체 칩(31)의 회로부가 아래로 향하도록 뒤집어서 실장되는 플립 칩의 형태로 회로기판(32)에 실장되도록 범프로 이루어짐은 물론, 상기한 도전체(33)는 전도성 폴리머를 사용하여도 된다. 그리고, 상기한 방열판(36)의 재질은 Cu, Ni, Al, CIC, CKC, Ag 또는 이들의 합금중 선택되어진 어느 하나의 것을 사용하는 것이다.

물론, 상기한 회로기판(32) 상에 실장되는 반도체 칩(31)은 하나만 실장될 수 있으며, 필요에 따라 두개 이상의 반도체 칩(31)을 포함하는 멀티 칩(Multi Chip) 형태로 실장될 수 있는 것이다.

이러한 구조를 갖는 본 발명에 따른 볼 그리드 어레이 반도체 패키지의 제조 공정을 간략하게 설명하면, 먼저 전자회로가 집적되어 있고, 이 전자회로의 신호를 인출하기 위한 본드패드가 형성된 일면과 그 반대면을 가지고 있는 반도체 칩(31)을 제공하는 단계와, 표면에는 회로패턴(32a)이 형성되고, 이 회로패턴(32a)을 보호하기 위해 솔더마스크(32b)가 코팅되어 있으며, 상기한 회로패턴(32a)은 스루홀(32c)에 의해 상하부가 연결되어 신호를 전달하고, 중앙 부분에는 상하를 관통하는 별도의 방열홈(32d)이 형성된 회로기판(32)을 제공하는 단계와, 상기한 반도체 칩(31)과 회로기판(32)의 회로패턴(32a)을 도전체(33)에 의해 전기적으로 연결하여 신호를 전달하도록 상기한 회로기판(32)의 상면 중앙부에 반도체 칩(31)의 회로부가 아래로 향하도록 상기한 반도체 칩(31)을 뒤집어서 실장하는 단계와, 상기한 반도체 칩(31)의 본드패드가 형성된 반대면에 방열판(36)을 부착하는 단계와, 상기한 반도체 칩(31)과 그 외 주변 구성품들을 외부의 산화 및 부식으로부터 보호하기 위하여 기존의 몰딩금형을 그대로 이용하여 봉지재(35)로 상기한 회로기판(32)의 상부에 있는 반도체 칩(31)과 방열판(36)을 일체로 몰딩하는 단계와, 상기한 회로기판(32)의 회로패턴(32a)과 연결되어 반도체 칩(31)의 신호를 상기한 스루홀(32c)을 통하여 외부로 전달할 수 있는 제1솔더볼(34a)과, 상기한 회로기판(32)의 방열홈(32d)을 통하여 반도체 칩(31)의 회로 동작시 발생되는 열이 외부로 방출될 수 있는 제2솔더볼(34b)을 상기한 회로기판(32)의 저면에 융착하는 단계를 포함하여 이루어지는 것이다.

상기의 제조 공정에 있어서, 봉지재(35)로 몰딩하는 단계는 기존의 몰딩금형을 그대로 이용하여 봉지재(35)로 몰딩함으로서 대량생산이 가능한 것이다. 즉, 회로기판(32) 상에 반도체 칩(31)과 방열판(36)이 실장된 상태로 몰딩금형 내에 위치시킨 다음, 봉지재(35)를 주입하여 반도체 칩(31)과 방열판(36)을 일체로 밀봉하는 방법에 의해 반도체 패키지의 성형을 완료하는 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용효과를 살펴보면, 반도체 칩(31)과 회로기판(32)을 도전체(33)에 의해 플립 칩의 방법으로 실장함으로써, 처리속도를 대폭 향상시킬 수 있고, 반도체 칩(31)의 본드패드가 형성된 반대면에는 방열판(36)이 봉지재(35)에 의해 일체로 몰딩되도록 부착되고, 이 방열판(36)의 타측면은 봉지재(35)의 외부로 노출됨과 동시에, 상기한 회로기판(32)의 반도체 칩(31)이 실장된 부분에는 회로기판(32)의 상하를 관통하는 별도의 방열홈(32d)이 형성되어 있고, 이 별도로 형성된 방열홈(32d)의 하부에 제2솔더볼(34b)이 융착되어 있음으로써, 반도체 칩(31)의 고집적화에 따른 작동시에 발생되는 열을 최대한 빨리 외부로 방출시킬 수 있는 것이다.

즉, 반도체 칩(31)에 부착된 방열판(36)과 회로기판(32)에 형성된 별도의 방열홈(32d) 및 방열홈(32d)의 하부에 융착된 제2솔더볼(34b)에 의해 반도체 칩(31)에서 발생된 열을 상기한 방열판(36)과 방열홈(32d)을 통해 동시에 외부로 방출시킴으로써, 온도 상승에 의해 유발되는 반도체 칩(31)의 기능 및 오동작을 방지할 수 있는 것이다. 또한, 상기한 반도체 칩(31)과 방열판(36)을 일체로 밀봉함으로써, 제조 공정의 단순화에 따른 생산성 향상과 제조원가를 크게 절감할 수 있는 것이다.

이상의 설명에서 알 수 있듯이 본 발명의 볼 그리드 어레이 반도체 패키지에 의하면, 반도체 칩을 플립 칩의 방법으로 회로기판에 실장하고, 상기 반도체 칩에는 방열판을 부착하여 봉지재로 일체로 밀봉함으로써, 대량생산을 할 수 있음은 물론, 방열효과를 극대화시키고, 제조원가를 대폭 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 표면에는 회로패턴(32a)이 형성되고, 이 회로패턴(32a)을 보호하기 위해 솔더마스크(32b)가 코팅되어 있으며, 상기한 회로패턴(32a)은 스루홀(32b)에 의해 상하부가 연결되어 신호를 전달하고, 중앙 부분에는 상하를 관통하는 별도의 방열홈(32d)이 형성되어 있는 회로기판(32)과, 상기한 회로기판(32)의 상면 중앙부에 실장되며, 내부에는 전자회로가 집적되어 있고, 이 전자회로의 신호를 인출하기 위한 본드패드가 형성된 일면과 그 반대면을 가지고 있는 반도체 칩(31)과, 상기한 반도체 칩(31)과 상기한 회로기판(32)의 회로패턴(32a)을 전기적으로 연결하여 신호를 전달하는 도전체(33)와, 상기한 회로기판(32)의 회로패턴(32a)과 연결되어 반도체 칩(31)의 신호를 상기한 스루홀(32c)을 통하여 외부로 전달하도록 회로기판(32)의 저면에 융착되어 있는 제1솔더볼(34a)과, 상기한 반도체 칩(31)의 회로 동작시 발생되는 열을 상기한 회로기판(32)의 중앙 부분에 형성된 별도의 방열홈(32d)을 통하여 회로기판(32)의 저면으로 신속히 방출하도록 상기한 방열홈(32d)의 하부에 융착되어 있는 제2솔더볼(34b)과, 상기한 반도체 칩(31)의 회로 동작시 발생되는 열을 반도체 칩(31)의 상부 방향으로 신속히 방출하도록 상기한 반도체 칩(31)의 본드패드가 형성된 반대면에 부착되어 있는 방열판(36)과, 상기한 반도체 칩(31)과 그 외 주변 구성품들을 외부의 산화 및 부식으로부터 보호하도록 상기한 반도체 칩(31)과 상기한 방열판(36)을 일체로 몰딩하되, 상기한 방열판(36)의 상면은 외부로 노출되도록 몰딩된 봉지재(35)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 볼 그리드 어레이 반도체 패키지.
2. 제1항에 있어서, 상기한 도전체(33)는 상기한 반도체 칩(31)의 회로부가 아래로 향하도록 뒤집어서 실장되는 플립 칩의 형태로 회로기판(32)에 실장되도록 범프로 이루어진 것을 특징으로 하는 볼 그리드 어레이 반도체 패키지.
3. 제1항에 있어서, 상기 방열판(36)의 재질은 Cu, Ni, Al, CIC, CKC, Ag 또는 이들의 합금중 선택되어진 어느 하나의 것을 특징으로 하는 볼 그리드 어레이 반도체 패키지.
4. 제1항에 있어서, 상기한 도전체(33)는 전도성 폴리머로 이루어진 것을 특징으로 하는 볼 그리드 어레이 반도체 패키지.