KR0170024B1 - 관통 슬롯 둘레에 에폭시 배리어가 형성된 기판 및 이를 이용한 향상된 습기 방출 특성을 갖는 볼 그리드 어레이 반도체 패키지 - Google Patents

관통 슬롯 둘레에 에폭시 배리어가 형성된 기판 및 이를 이용한 향상된 습기 방출 특성을 갖는 볼 그리드 어레이 반도체 패키지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 칩 실장 영역내의 관통 슬롯 둘레에 에폭시 배리어(Barrier)가 형성된 기판 및 이를 이용한 향상된 습기 방출 특성을 갖는 볼 그리드 어레이(Ball Grid Array:BGA) 반도체 패키지에 관한 것으로서, 반도체 칩 실장 영역내의 관통 슬롯 주연으로부터 소정 거리에 적층된 솔더 레지스트층 및/또는 구리층을 제거하여 홈을 형성시키는 것에 의하거나, 또는 관통 슬롯 주연부로 소정 거리 만큼의 솔더 레지스트층을 상방으로 돌출시켜 에폭시 배리어를 형성시킨 PCB(Printed Circuit Board) 기판을 이용한 볼 그리드 어레이 반도체 패키지는, 기판상에 반도체 칩을 접착시 에폭시 배리어에 의해 습기 방출용 관통 슬롯내로의 에폭시의 유입이 차단되므로, 패키지 제조시의 고온하 공정중, 또는 패키지의 마더 보드에의 장착시 등에 있어서, 관통 슬롯을 통한 팽창된 습기의 원활한 방출로 인하여 계면 박리나 크랙 발생의 우려가 없어서 제품의 신뢰성이 매우 높다.

Description

관통 슬롯 둘레에 에폭시 배리어(Barrier)가 형성된 기판 및 이를 이용한 향상된 습기 방출 특성을 갖는 볼 그리드 어레이(BGA:Ball Grid Array) 반도체 패키지
본 발명은 에폭시 배리어(Barrier)가 형성된 기판 및 이를 이용한 볼 그리드 어레이(BGA:Ball Grid Araay) 반도체 패키지에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 반도체 칩 실장 영역내의 관통 슬롯 둘레에 에폭시 배리어가 형성된 기판 및 이를 이용한 향상된 습기 방출 특성을 갖는 볼 그리드 어레이 반도체 패키지에 관한 것이다.
볼 그리드 어레이 반도체 패키지는, 기판의 상면에 하나 또는 그 이상의 반도체 칩이 장착되고 PCB(Printed Circuit Board)와 같은 도전성 재료에 대한 전기적 접속이 반도체 칩이 부착된 기판의 대향면 표면상에 위치하는 솔더볼의 어레이에 의해 이루어지는 구조의 반도체 패키지이다.
통상적으로, 볼 그리드 어레이 반도체 패키지는, 기판상에 은 충진 에폭시 등과 같은 열 전도성 수지를 도포하여 반도체 칩을 부착시킨 다음, 에폭시를 경화시키고, 반도체 칩에 형성된 본드 패드와 기판 상면에 형성된 전기적으로 도전성인 트레이스(Trace)를 전기적으로 접속시키기 위하여 와이어로 본딩하며, 반도체 칩 및 본드 와이어 등을 외부 환경으로부터 보호하기 위하여 수지 봉지재로 몰딩하여 봉지부를 형성시킨 다음, 적외선을 열원으로 하여 로(Furnace)내에 가열된 공기 또는 질소 가스를 공급하여 솔더볼을 기판 저면에 용착시키는 적외선 리플로우(IR Reflow)를 수행한 후, 트림(Trim) 공정을 거쳐 제조된다.
이와 같은 볼 그리드 어레이 반도체 패키지의 제조 과정에 있어서, 반도체 칩이 실장된 기판은, 와이어 본딩 공정, 몰딩 공정등과 같은 150℃ 이상의 고온하에 수행되는 수 차례의 필수적인 공정을 거치는 동안, 열적 스트레스가 반복적으로 가해지게 된다. 이러한 열적 스트레스는 반도체 칩과 기판 간의 상위한 열팽창 계수의 차이로 인하여 증대되며, 가장 취약한 부분인 반도체 칩과 기판 사이의 계면에 열적 스트레스 집중 현상이 나타나 국소적인 박리 현상이 일어나게 되고, 더욱 진행되면, 박리된 부분이 부풀어오르고 주변영역에 크랙을 발생시키는 팝콘(Pop Corn) 현상이 발생하여 제품의 품질을 급격히 저하시키게 되므로 제품의 신뢰성을 보장할 수 없게 되는 심각한 문제를 초래할 수 있다. 또한, 220℃ 이상의 고온에서 수행되는 마더 보드에의 볼 그리드 어레이 반도체 패키지 장착시, 패키지 내부의 습기가 팽창하여 취약한 부분인 반도체 칩과 기판 사이의 계면에 박리 및 크랙을 유발시켜 패키지의 신뢰성을 저하시키게 되는 문제점이 있었다.
상기한 문제점을 해소하기 위한 종래의 방안으로서, 제3a, b도에 도시한 바와 같이, 반도체 칩(30')이 실장되는 기판(20') 영역내에 기판(20')의 상하면을 관통하는 슬롯(26')을 형성시키는 것에 의하여, 패키지(10') 제조시의 고온하에 수행되는 일련의 공정중, 또는 패키지(10')에 대한 신뢰성 시험 과정이나 패키지(10')의 마더 보드에의 장착시, 상기한 관통 슬롯(26')을 통하여 팽창된 습기가 방출될 수 있도록 하여 계면 박리 및 크랙 발생을 방지하고자 하는 것이 제안되어 있다.
그러나, 이러한 종래의 방안에 있어서는, 반도체 칩(40')이 부착되는 기판(20') 영역내에 형성되는 관통 슬롯(26')의 상단 개구가 기판(20')상의 구리층(21')위에 적층된 솔더 레지스트층(22')표면과 동일 평면상에 위치하므로, 반도체 칩(40')을 기판(20')상에 접착시키기 위한 에폭시(70')의 디스펜싱(Dispensing)량 및 두께를 정확히 조절하기 곤란하며, 이에 따라 효율성이 높은 에폭시 디스펜서의 제작도 어려워진다. 또한, 제3a도에 도시한 바와 같이, 기판(20')상에 디스펜싱된 에폭시 수지상에 반도체 칩(40')을 압압하여 부착시 기판(20')상에 적층된 솔더 레지스트층(22') 표면과 동일 평면상에 위치하는 관통 슬롯(26')의 상단 개구를 통하여 에폭시 수지가 유입되어, 경화시 관통 슬롯(26')이 과잉 에폭시 수지(71)에 의해 폐색되므로 습기 방출이 어렵게 되는 문제점이 여전히 존재하고 있으며, 제3b도에 도시한 바와 같이, 관통 슬롯(26')내로의 과잉 에폭시 수지(71)의 유입량이 많아서 기판(20')의 저면으로 흘러 나오는 경우에는, 상기한 문제와 더불어, 패키지(10')의 저면과 반도체 칩(40') 부착 장비를 오염시키게 된다는 부가적인 문제가 존재한다. 이러한 과잉 에폭시 수지(71)에 의한 관통 슬롯(26')의 폐색은 습기 방출 효율을 급격히 저하시켜 패키지(10')의 수명을 단축시키는 한 요인이 될 뿐만 아니라, 계면 박리 및 크랙 발생에 대한 우려가 비교적 높아 제품의 신뢰성에 문제가 있었다.
본 발명자들은 이와 같은 문제점을 해소하기 위하여, 반도체 칩이 실장되는 기판 영역내의 적어도 하나 이상의 관통 슬롯 둘레에 에폭시 배리어를 형성시키는 것에 의하여, 에폭시 수지의 관통 슬롯내의 유입을 효율적으로 차단하였으며, 이러한 에폭시 배리어가 형성된 기판을 이용한 볼 그리드 어레이 반도체 패키지는 습기 방출 특성이 우수하여 계면 박리나 크랙 발생의 우려가 없다.
따라서, 본 발명의 첫번째 목적은, 반도체 칩이 실장되는 구리층과 솔더 레지스트층이 차례로 적층된 반도체 칩 실장 패드에 적어도 1개의 습기 방출용 관통 슬롯이 형성되는 PCB 기판에 있어서, 상기 관통 슬롯내로의 반도체 칩 접착용 에폭시의 유입을 방지할 수 있도록 상기 관통 슬롯의 둘레에 에폭시 배리어가 형성된 기판을 제공하는 것이다.
본 발명의 두 번째 목적은, 반도체 칩과; 반도체 칩이 실장되는 영역내에 형성되는 적어도 하나 이상의 관통 슬롯 둘레에 에폭시 배리어가 형성된 기판과; 반도체 칩에 형성된 본드 패드와 기판 상면에 형성된 전기적으로 도전성인 트레이스를 전기적으로 접속시키는 와이어와; 반도체 칩 및 와이어를 외부 환경으로부터 보호하기 위하여 수지 봉지재로 몰딩 형성되는 봉지부 및; 반도체 칩이 실장되는 기판면의 대향면상에 용착되며 입출력 단자로서 사용되는 다수의 솔더볼로 구성되는, 향상된 습기 방출 특성을 갖는 볼 그리드 어레이 반도체 패키지를 제공하는 것이다.
이러한 본 발명에 따른, 관통 슬롯의 둘레에 에폭시 배리어가 형성된 기판을 이용한 반도체 패키지는 관통 슬롯이 에폭시로 폐색되는 일이 없으므로, 패키지 제조시의 고온이 요구되는 일련의 공정중, 또는 패키지에 대한 신뢰성 시험 과정이나 패키지의 마더 보드에의 장착시, 팽창된 습기가 원활히 방출될 수 있으므로 계면 박리 및 크랙 발생의 우려가 없어서 제품의 신뢰성이 매우 높다.
제1a, b도는 본 발명의 바람직한 일구체예에 따른 기판을 이용한 본 발명의 볼 그리드 어레이 반도체 패키지의 단면도.
제2도는 본 발명의 바람직한 다른 일구체예에 따른 기판을 이용한 본 발명의 볼 그리드 어레이 반도체 패키지의 단면도.
제3a, b도는 종래의 기판을 이용한 칩 탑재시의 불량 상태를 나타내는 볼 그리드 어레이 반도체 패키지의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 본 발명의 볼 그리드 어레이 반도체 패키지
20 : 본 발명의 기판 21 : 구리층
22 : 솔더 레지스트층 23 : 에폭시 배리어(Barrier)
24 : 홈(溝:Groove) 25 : 미소 공간부
26 : 관통 슬롯 30 : 반도체 칩
40 : 와이어 50 : 봉지부
60 : 솔더볼 70 : 에폭시
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
제1a도 및 제1b도는 본 발명의 바람직한 일구체예에 따른 기판(20)을 이용한 본 발명의 볼 그리드 어레이 반도체 패키지(10)를 도시한 단면도로서, 패키지(10)는 기판(20), 반도체 칩(30), 반도체 칩(30)에 형성된 본드 패드(도시하지 않음)와 기판(20) 상면에 형성된 전기적으로 도전성인 트레이스(도시하지 않음)를 전기적으로 접속시키는 와이어(40), 반도체 칩(30) 및 와이어(40) 등을 외부 환경으로부터 보호하기 위한 몰딩 형성된 수지 봉지부(50) 및, 입출력 단자로서 사용되는 다수의 솔더볼(60)로 구성된다.
본 발명의 바람직한 일구체예에 따른 기판(20)으로서는, PCB 기판을 포함한 다양한 종류의 통상적인 기판이 사용될 수 있으며, 본 발명에 바람직한 PCB 기판의 구성 물질로서는 비스말레이미드 트리아진(Bismaleimide triazine) 등을 들 수 있다.
제1a도 및 제1b도에 도시한 본 발명의 바람직한 일구체예에 따른 기판(20)의 반도체 칩 실장 패드는, 차례로 적층된 구리층(21)과 솔더 레지스트층(22)을 가지며, 반도체 칩(30)이 실장되는 영역내에 적어도 하나의 습기 방출용 관통 슬롯(26)이 형성되며, 관통 슬롯(26)내로의 반도체 칩 접착용 에폭시(70)의 유입을 방지할 수 있도록 관통 슬롯(26)의 둘레에 에폭시 배리어(23)가 형성된다. 또한, 와이어(40)가 본딩되는 영역은 솔더 레지스트층(22)의 형성없이, 트레이스를 구성하는 구리층(21)이 노출되어 있다. 기판(20)상의 반도체 칩(30)이 부착되는 영역내에는 적어도 하나 이상의 습기 방출용 관통 슬롯(26)이 형성되며, 관통 슬롯(26)의 둘레에는 반도체 칩(30)을 기판(20)상에 접착시키는 에폭시(70)의 유입을 효과적으로 방지하기 위한 에폭시 배리어(23)가 형성되어 있다.
제1a도 및 제1b도에 도시한 본 발명의 바람직한 일구체예에 따른 기판(20)에 있어서는, 에폭시 배리어(23)가 기판(20)의 반도체 칩 실장 패드 상면에 적층된 구리층(21) 및 그 위의 솔더 레지스트층(22)으로 구성되며, 관통 슬롯(26)의 주연으로부터 소정 거리를 두고서 상기 관통 슬롯(26)의 주연을 에워싸게 인접하는 홈(24)에 의해 형성된다. 제1a도에 있어서는, 홈(24)이 구리층(21) 및 솔더 레지스트층(22)을 기판(20) 표면에 대하여 수직 또는 경사 구배를 갖게 제거하여 형성되며, 이에 의하여 관통 슬롯(26) 둘레에 에폭시 배리어(23)가 형성된다. 또한, 제1b도에 있어서는, 홈(24)이 솔더 레지스트층(22)만을 제거하여 형성되며(도면상에는 솔더 레지스트층(22)을 1층만으로 도시하였으나, 2층으로 형성된 경우에는 필요에 따라 1층만을 제거하거나 또는 2층 모두를 제거할 수도 있다), 이에 의하여 관통 슬롯(26) 둘레에 에폭시 배리어(23)가 형성된다.
이러한 에폭시 배리어(23)의 크기 및 홈(24)의 너비는 사용하고자 하는 에폭시(70)의 점도등과 같은 물리적 특성 및 공정 처리 조건등과 같은 다양한 파라메타에 따라 임의로 선택 가능하다.
제2도는 본 발명의 바람직한 다른 일구체예에 따른 기판(20)을 이용한 본 발명의 볼 그리드 어레이 반도체 패키지(10)를 도시한 단면도로서, 그 기본 구성은 제1a도 및 제1b도에 도시한 것과 같다.
제2도에 도시한 본 발명의 바람직한 다른 일구체예에 따른 기판(20)에 있어서는, 에폭시 배리어(23)가 관통 슬롯(26)의 주연으로부터 소정 거리 만큼 기판(20)의 반도체 칩 실장 패드 상면의 최상층인 솔더 레지스트층(22)을 다시 적층시켜 구성되며, 그 상면은 반도체 칩(30)과 맷치될 수 있도록 기판(20)면과 평행한 평면으로 구성된다.
이러한 적재층에 의해 돌출된 에폭시 배리어(23)의 돌출 경계면은 기판(20)면에 대하여 수직 또는 일정한 경사 구배를 갖게 형성된다. 그 너비는 사용하고자 하는 에폭시(70)의 물리적 특성이나 공정 처리 조건등과 같은 다양한 파라메타에 따라 선택될 수 있다.
제1a, b도 및 제2도상의 에폭시 배리어(23)의 평면적 형상은 원형, 사각형, 또는 타원형등, 필요에 따른 원하는 임의의 형상으로 형성시킬 수 있다.
본 발명에 따른 기판(20)상에 반도체 칩(30)을 실장시키기 위하여, 반도체 칩 접착용 에폭시(70)를 에폭시 배리어(23)의 외측에 디스펜싱한 후, 반도체 칩(30)을 부착시키면, 액상의 에폭시(70)가 기판(20)상의 반도체 칩(30) 부착 영역상에 균일한 두께로 도포되며, 이때, 에폭시(70)는 에폭시 배리어(26)에 의해 차단되어 관통 슬롯(26)내로 유입되지 못하게 된다. 따라서, 습기 방출용 관통 슬롯(26)이 에폭시(70)에 의해 폐색됨으로써 발생할 수 있는 계면 박리나 크랙 발생에 대한 우려를 완전히 해소할 수가 있다.
또한, 에폭시 배리어(23)는 그 인접한 영역보다 균일한 높이를 갖도록 형성되므로, 에폭시(70)의 디스펜싱량 및 도포 두께를 비교적 정확히 제어할 수 있게 되어, 패키지(10) 품질의 신뢰성을 제고시킬 수가 있는 장점이 있다. 이하, 비교실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
[비교실시예]
제1a, b도 및 제2도에 도시한 바와 같은 본 발명에 따른 기판(20)을 이용한 본 발명의 패키지(10) 각각 및 제3a도에 도시한 바와 같은 종래의 기판(20')을 이용한 패키지(10')대하여, 관통 슬롯(26,26')내에 에폭시(70,71)가 유입되었는지의 여부 및 온도 85℃, 상대 습도 60%에서 168시간 동안 유지시키는 가혹 조건 경과후 각 패키지(10,10')에 있어서의 계면 박리 및 크랙 발생 여부를 검사하였으며, 그 결과를 하기의 표 1에 나타낸다.
상기 표 1는, 각각 15개의 샘플 패키지를 검사한 것으로서, 불량 패키지수와, 박리 및 크랙 발생 항목에 나타나 있는 수치는, 불량 패키지의 갯수/피검 패키지의 총수를 나타낸다.
상기한 표로부터 명확한 바와 같이, 본 발명에 따른 기판(20)을 이용한 본 발명의 패키지(10)에 있어서는, 피검 대상 모두인 15개 패키지중에서 관통 슬롯(16)이 에폭시(70)로 폐색되거나, 또는 박리나 크랙 발생이 일어난 패키지(10)는 하나도 없었다.
상술한 바와 같이, 반도체 칩이 실장되는 영역내의 습기 방출용 관통 슬롯 둘레에 에폭시 배리어를 형성시킨 본 발명에 따른 기판을 이용한 본 발명의 볼 그리드 어레이 반도체 패키지는, 관통 슬롯이 에폭시로 폐색되는 일이 없으므로, 패키지 제조시의 고온하 공정중, 또는 패키지의 마더 보드에의 장착시 등에 있어서, 팽창된 습기의 원활한 방출로 인하여 계면 박리나 크랙 발생의 우려가 없어서 제품의 신뢰성이 매우 높다.

Claims (10)

  1. 반도체 칩과; 상기한 반도체 칩이 실장되는 영역내에 형성되는 적어도 하나 이상의 관통 슬롯 둘레에 에폭시 배리어(Barrier)가 형성된 기판과; 상기한 반도체 칩에 형성된 본드 패드와 상기한 기판 상면에 형성된 전기적으로 도전성인 트레이스(Trace)를 전기적으로 접속시키는 와이어와; 상기한 반도체 칩 및 상기한 와이어를 외부 환경으로부터 보호하기 위하여 수지 봉지재로 몰딩 형성되는 봉지부 및; 상기한 반도체 칩이 실장되는 상기한 기판면의 대향면상에 용착되며 입출력 단자로서 사용되는 다수의 솔더볼로 구성되는, 향상된 습기 방출 특성을 갖는 볼 그리드 어레이(Ball Grid Array:BGA) 반도체 패키지.
  2. 제1항에 있어서, 에폭시 배리어가 기판의 반도체 칩 실장 패드 상면에 적층된 구리층 및 솔더 레지스트층으로 구성되며, 관통 슬롯의 주연으로부터 소정 거리를 두고서 상기 관통 슬롯의 주연을 에워싸게 인접하는 홈에 의해 형성되는 볼 그리드 어레이 패키지.
  3. 제2항에 있어서, 홈이 기판의 반도체 칩 실장 패드 상면에 적층된 구리층 및 솔더 레지스트층을 제거하여 형성되는 볼 그리드 어레이 패키지.
  4. 제2항에 있어서, 홈이 기판의 반도체 칩 실장 패드 최상면에 적층된 솔더 레지스트층을 제거하여 형성되는 볼 그리드 어레이 패키지.
  5. 제1항에 있어서, 에폭시 배리어가 솔더 레지스트층으로 구성되며, 관통 슬롯의 주연으로부터 소정 거리만큼 기판의 반도체 칩 실장 패드상의 최상층인 상기한 솔더 레지스트층을 다시 적층시켜 형성되는 볼 그리드 어레이 패키지.
  6. 구리층과 솔더 레지스트층이 차례로 적층된, 반도체 칩이 실장되는 칩 실장 패드에 적어도 1개의 습기 방출용 관통 슬롯이 형성되는 PCB(Printed Circuit Board) 기판에 있어서, 상기 관통 슬롯내로의 반도체 칩 접착용 에폭시의 유입을 방지할 수 있도록 상기 관통 슬롯의 둘레에 에폭시 배리어(Barrier)가 형성되는 것을 특징으로 하는 기판.
  7. 제6항에 있어서, 에폭시 배리어가 기판의 반도체 칩 실장 패드 상면에 적층된 구리층 및 솔더 레지스트층으로 구성되며, 관통 슬롯의 주연으로부터 소정 거리를 두고서 상기 관통 슬롯의 주연을 에워싸게 인접하는 홈에 의해 형성되는 기판.
  8. 제7항에 있어서, 홈이 기판의 반도체 칩 실장 패드 상면에 적층된 구리층 및 솔더 레지스트층을 제거하여 형성되는 기판.
  9. 제7항에 있어서, 홈이 기판의 반도체 칩 실장 패드 최상면에 적층된 솔더 레지스트층을 제거하여 형성되는 기판.
  10. 제6항에 있어서, 에폭시 배리어가 솔더 레지스트층으로 구성되며, 관통 슬롯의 주연으로부터 소정 거리 만큼 기판의 반도체 칩 실장 패드 상면의 최상층인 상기한 솔더 레지스트층을 다시 적층시켜 형성되는 기판.
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