KR0152573B1 - 마이크로 볼 그리드 어레이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

입·출력 단자용 패드들을 제외한 영역의 기판상에 절연막을 적층하고, 그 입·출력 단자용 패드들에 전기적으로 연결되는 금속층을 절연막의 전면상에 형성한 후 그 금속층의 각각의 패턴을 레이저로 분리하고 그 분리된 금속층의 패턴의 솔더 패드용 개구부에 솔더 범퍼가 형성되도록 하여 전체의 공정을 단순화하고 양호하게 함으로써 고신뢰성의 마이크로 볼 그리드 어레이가 제조될 수 있다.

Description

마이크로 볼 그리드 어레이(micro ball grid array)의 제조방법

제1도 (a) 내지 제1도 (d)는 본 발명에 의한 볼 그리드 어레이(micro ball grid array)의 제조 방법을 나타낸 공정도.

제2도는 제1도 (c)의 금속층이 각각의 패턴으로 분리된 상태를 나타낸 평면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 기판 2 : 입·출력 단자용 패드

3,9 : 보호막 5,6 : 절연막

7,8 : 금속층 10 : 개구부

11 : 솔더 볼

본 발명은 볼 그리드 어레이 패키지(ball grid array)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 입·출력 단자용 패드들을 제외한 영역의 웨이퍼상에 폴리이미드 층의 패턴을 형성하고, 그 폴리이미드 층의 패턴상에 그 입·출력 단자용 패드들과 전기적으로 연결되는 금속층을 적층한 후 그 금속층의 패턴을 레이저로 각각 형성하고, 그 각각의 금속층의 패턴에 솔더 범퍼가 형성되도록 한 마이크로 볼 그리드 어레이(micro ball grid array)의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전자 기기의 소형화 및 대용량화의 추세에 따라 반도체 칩의 크기가 커지고 그 반도체 칩의 입·출력 단자용 패드의 수가 많아지고 있는 반면에 그 반도체 칩을 내장하는 반도체 칩 패키지의 크기가 작아지고, 그 입·출력 단자용 패드에 각각 연결되는 리드 프레임의 리드들 사이의 간격이 더욱 좁아지고 있다.

이에 따라, 다양한 형태의 패키지 기술이 개발되고 있는데, 최근 가장 각광을 받고 있는 패키지가 볼 그리드 어레이 패키지이다. 이는 볼 그리드 어레이 패키지가 다른 표면실장형 패키지보다 많은 장점, 예를 들어 스몰 푸트 프린트(small foot print), 전기적 성능의 우수함, 취급 및 조립의 용이성 등을 갖고 있기 때문이다.

하지만, 볼 그리드 어레이 패키지는 쿼드 플랫 패키지(quad flat package)의 푸트 프린트의 크기보다 2배 작은 크기의 푸트 프린트를 갖고 있으나, 쿼드 플랫 패키지 자체의 크기보다 4-8배 큰 크기를 갖고 있어 칩(bare chip)의 실장기술인 플립 칩(filp chip) 기술의 채택에까지 미치지 못하고 있다.

이러한 플립 칩은 4-8 mil의 스몰 피치(small pitch)에 따른 테스트 및 조립에 불편한 문제점과 신뢰성이 낮은 문제점을 가지고 있어 이미 개발된지 오래되었음에도 불구하고 아직까지 범용적으로 사용되지 못하고 있다.

따라서, 볼 그리드 어레이 패키지와 플립 칩사이의 단계에 있는 마이크로 볼 그리드 어레이 패키지가 테세라(Tessera) 사(社)와, 산디아 국립 연구소(Sandia National Laboratory)에서 활발히 개발되었다.

테세라 사(社)에서 개발된 마이크로 볼 그리드 어레이 패키지는 지.이(GE) 사(社)의 고밀도 상호연결(high dendity interconnection)용 폴리이미드 테이프의 개념을 도입한 것으로서, 그 테이프상의 0.5μm의 피치를 갖는 금속 패턴의 랜드(land)에 솔더 범퍼를 형성하고, 그 테이프에 탄성중합체(clastomer)를 개재하여 베어(bare) 상태의 반도체 칩을 부착하며, 그 반도체 칩의 입·출력 단자용 패드들에 그 테이프의 리드들을 각각 대응하여 전기적으로 연결하여 이루어진다.

이렇게 이루어지는 테세라 사(社)의 마이크로 볼 그리드 어레이 패키지는 반도체 칩 트레이의 상태로 취급하여야 하는 외주 조립업체에 많은 장점을 줄 수 있으나, 복잡한 제조 공정을 필요로 하여 대량생산과 양호한 신뢰성을 얻을 수 없는 문제점과, 기존의 볼 그리드 어레이 패키지에 비하여 그 구조가 매우 복잡한 문제점을 갖고 있었다.

이에 비하여, 산디아 국립 연구소의 마이크로 볼 그리드 어레이 패키지는 베어 상태의 반도체 칩의 입·출력 단자용 패드를 제외한 영역상에 폴리이미드 층의 패턴을 형성하고, 그 폴리아미드 층의 패턴상에 그 입·출력 단자용 패드와 전기적으로 연결되는 금속층을 적층하며, 그 금속층을 사진공정으로 패턴화하는 한편, 그 패턴화된 금속층상에 솔더 범퍼를 위한 에어리어 패드(area pad)를 각각 갖는 폴리이미드 층을 형성하고, 그 에어리어 패드들상에 범퍼를 형성하여 이루어진다.

이렇게 이루어지는 산디아 국립 염구소의 마이크로 볼 그리드 어레이 패키지는 패키지의 전체 크기를 반도체 칩 자체의 크기로 줄이는 장점을 갖고 있으나. 기존의 공정을 그대로 이용하여 복잡한 사진 공정을 2번 이상 필요로 하고, 구조적으로 양호한 신뢰성을 얻을 수 없는 문제점을 갖고 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 제조 공정이 단순화되고, 고신뢰성을 유지할 수 있는 마이크로 볼 그리드 어레이의 제조 방법을 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 마이크로 볼 그리드 어레이의 제조 방법은 입·출력 단자용 패드를 제외한 영역의 기판상에 절연층의 패턴을 형성하고, 그 절연층의 패턴상에 그 입·출력 단자용 패드와 전기적으로 연결되는 금속층을 적층한 후 그 금속층의 패턴을 레이저로 형성하고 그 금속층의 패턴에 솔더 범퍼를 위한 패드가 형성되도록 보호층을 형성하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 마이크로 볼 그리드 어레이의 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도 (a)를 참조하면, 먼저 웨이퍼(wafer) 레벨의 제조 공정이 완료되면, 단결정 실리콘 기판(1)상의 입·출력 단자용 패드(2)의 원하는 영역만이 보호막(3)의 개구부에 의해 노출된 상태로 있게 된다. 그 보호막(3)은 질화막, 질화막과 폴리이미드의 감광막으로 이루어져 있다.

물론, 단결정 실리콘 기판(1)상에 복수개의 입·출력 단자용 패드(2)가 형성되고, 복수개의 소자들이 형성되지만 설명의 편의상 한 개의 본딩 패드만이 도시되었다.

제1도 (b)를 참조하면, 통상적인 사진 공정에 의하여 입·출력 단자용 패드(2)를 제외한 영역의 기판(1)상에 절연막(5)의 패턴을 10-20μm의 두께로 형성한다.

이후, 입·출력 단자용 패드(2)상에 잔존하는 절연막(5)의 잔류물을 제거하기 위해 디스컴(descum) 공정을 실시한다.

여기서, 그 절연막(5)은 감광성 경화용 폴리이미드의 감광막으로서, 듀퐁(Dupon)사의 PI12611, 토레이(Toray) 사의 UR-3140, 다우 케미컬(Dow chemacal) 사의 BCB, 또는 그 이외의 동등한 감광막이다.

이어서, 통상적인 사진 공정에 의하여 그 입·출력 단자용 패드(2)를 기준으로 기판(1)의 중앙부측의 절연막(5) 상에 절연막(6)의 패턴을 50μm의 두께로 형성한다.

계속하여, 입·출력 단자용 패드(2) 상에 잔존하는 절연막(6)의 잔류물을 제거하기 위해 디스컴(descum) 공정을 실시한다.

여기서, 그 절연막(6)은 감광성 경화용 폴리이미드의 감광막으로서 스핀 코팅(spin coating)되거나, 다이나 켐(Dyna chem) 사의 EL2026/DFSM, 듀폰 사의 PI2701 또는 그 이외의 동등한 감광막으로서 적층되는 것이다.

제1도 (c)를 참조하면, 상기와 같은 구조의 기판(1)의 전면상에 구리의 플래쉬(flash)의 금속층(7)을 형성한다.

이어서, 그 구리의 플래쉬 층(7)상에 Ni/Au의 금속층(8)을 2μm의 두께로 전해 도금한다.

한편, 사용되는 감광막의 종류에 따라 금속층상에 폴리이미드의 감광막이 형성되는 구조 또는 폴리이미드의 감광막상에 금속층이 형성되는 구조에 있어서, 층들간의 접착력을 높이기 위하여 접착력 증진제를 사용하거나 박막의 크롬(Cr)의 층을 그 층들 사이에 형성하는 것이 바람직하다.

계속하여, 펜 타입(pen type)의 Nd-YAG 또는 CO₂레이저를 이용하여 제2도에 도시된 바와 같이, 입·출력 단자용 패드들(2)와 후속의 공정에서 형성될 솔더 볼(11)을 전기적으로 연결하는 금속층(8)과 그 금속층(7)을 원하는 패턴으로 순차적으로 커팅하여 이웃하는 금속층(8),(7)의 패턴들이 서로 전기적으로 연결되지 않게 한다.

이때, 그 커팅되는 금속층(8)의 하부의 금속층(7) 층에 손상을 주지 않도록 하기 위하여 그 금속층(8)과 금속층(7)에 각각 인가하는 레이저의 출력을 조절하여야 하는데, 주로 펄스 파(pulse wave)를 사용하게 된다. 또한, 절연(6),(5)은 별도의 프로그램에 의해 커팅된다.

이러한 펜 타입 이외에 입·출력 단자용 패드들의 간격이 큰 경우에는 마스크 타입의 커팅이 실시될 수도 있다.

이어서, 그 커팅된 금속층(8),(7)의 패턴들사이에 메탈 브리지(metal bridge) 또는 메탈 버(metal bur)가 존재하는지 여부를 육안 검사한다.

제1도 (d)를 참조하면, 상기와 같이 이루어진 구조의 기판(1)의 표면을 보호하기 위하여 그 금속층(8) 상에 보호층(9), 예를 들어 고점도의 폴리이미드의 층 또는 감광성 실리콘의 층을 형성한다.

이어서, 사진 공정에 의하여 솔더 볼(11)을 안착시키기 위한 보호층(8)의 영역에 개구부(10)를 각각 형성하여 그 개구부(10)의 금속층(8)을 노출시킨다.

계속하여, 통상적인 방법에 의하여 그 노출된 영역의 금속층(8) 상에 솔더 패드(도시안됨)를 형성한다.

최종적으로, 솔더 볼 트랜스퍼(solder ball transfer) 또는 스크린 프린팅(screen printing)에 의하여 원하는 솔더 볼(11)을 그 솔더 패드상에 놓은 후 리플로우 공정에 의하여 그 솔더 볼(11)을 그 솔더 패드에 접합시킨다.

따라서, 이와 같이 제조된 웨이퍼는 각각의 칩으로 분할된 후 사용하고자 하는 기판, 예를 들어 인쇄회로 기판, 세라믹 기판 또는 실리콤 기판상에 플립 실장된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 마이크로 볼 그리드 어레이의 제조 방법은 입·출력 단자용 패드들을 제외한 영역의 기판상에 절연막을 적층하고, 그 입·출력 단자용 패드들에 전기적으로 연결되는 금속층을 절연막의 전면상에 형성한 후 그 금속층의 각각의 패턴을 레이저로 분리하고 그 분리된 금속층의 패턴의 솔더 패드용 개구부에 솔더 범퍼가 형성되도록 하여 전체의 공정을 단순화하고 양호하게 함으로써 고신뢰성의 마이크로 볼 그리드 어레이를 제조할 수 있다.

Claims (6)

1. 입·출력 단자용 패드를 제외한 영역의 기판상에 제1보호층과 제1절연막을 순차적으로 형성하는 단계와; 그 제1절연막의 정해진 영역상에 제2절연막을 형성하는 단계와; 그 입·출력 단자용 패드에 전기적으로 연결하는 금속층을 그 제1, 2절연막상에 형성하는 단계와; 그 금속층의 정해진 패턴을 형성하는 단계와; 그 금속층의 패턴의 정해진 영역상에 솔더 볼을 위한 개구부를 갖는 제2보호층을 형성하는 단계를 포함하는 마이크로 볼 그리드 어레이의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1, 2 절연막이 폴리이미드 층인 것을 특징으로 하는 마이크로 볼 그리드 어레이의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 금속층이 레이저에 의해 커팅되어 패턴화되는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼 그리드 어레이의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 금속층이 제1금속층과 제2금속층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼 그리드 어레이의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제2보호층이 폴리이미드 층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼 그리드 어레이의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 제2보호층이 감광성 실리콘 층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 볼 어레이의 제조 방법.