KR100192766B1 - 솔더볼을 입출력 단자로 사용하는 볼그리드 어레이 반도체 패키지의 솔더볼 평탄화 방법 및 그 기판구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 솔더볼을 입출력 단자로 사용하는 볼 그리드 어레이 반도체 패키지의 솔더볼 평탄화 방법 및 그 구조에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 기판 중 솔더볼이 부착되는 기판면의 내측 및 외각부에 서로 다른 직경을 갖는 금속성 솔더볼 랜드를 형성하고 상기 기판면중 상기 랜드가 형성되지 않는 부분에 솔더마스크를 형성하여 상기 랜드의 직경에 따라서 서로 다른 높이의 솔더볼을 형성하거나, 기판상에 동일크기로 다수의 금속성 랜드를 형성한 후 상기 기판에 솔더마스크를 형성하되, 상기 솔더마스크는 기판상의 랜드가 형성되지 않는 부분과 랜드의 외각 일부를 덮어서 랜드 중심부가 노출되도록 형성하며, 상기 랜드의 노출부위는 기판의 중심부 및 외각부에서 서로 다른 크기로 형성되어 상기 랜드에 동일 크기의 솔더볼를 얹은 뒤 용착시키므로 상기 랜드의 노출직경에 따라서 서로 다른 높이의 솔더볼을 형성하게 된다. 이에 따라서, 솔더볼의 상대적인 높이를 평탄화시킬 수 있다.

Description

솔더볼을 입출력 단자로 사용하는 볼 그리드 어레이 반도체 패키지의 솔더볼 평탄화 방법 및 그 기판 구조
제1도의 (a) 내지 (d)는 볼그리드 어레이 반도체 패키지의 휨에 따른 솔더볼의 평평도 불량 상태를 도시한 도면.
제2도의 (a) 및 (b)는 제1도의 패키지가 마더보드에 실장될 때의 접촉불량을 도시한 도면.
제3도 및 제4도는 종래의 반도체 패키지 휨을 개선하기 위한 방법을 도시한 도면.
제5도의 (a)는 본 발명에 따른 기판 솔더볼랜드 설계를 나타낸 도면.
제5도의 (b)는 본 발명에 따른 기판 솔더볼랜드에 의해 솔더볼이 평탄화되어 마더보드에 실장된 상태를 나타낸 도면.
제6도는 본 발명에 따른 기판 솔더볼랜드 설계를 나타낸 확대도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기판 2 : 플라스틱 바디
3 : 솔더볼 5 : 솔더볼랜드
본 발명은 솔더볼을 입출력 단자로 사용하는 볼그리드 어레이(BGA) 반도체 패키지의 솔더볼 평탄화 방법 및 그 기판 구조에 관한 것으로, 특히 반도체장치 제조 공정중 고온공정으로 인해 기판의 중앙부가 볼록하게 변형된 경우에 솔더볼 어레이의 평평도 불량을 보정하기 위한 방법 및 그 기판구조에 관한 것이다.
최근들어 차세대 반도체 패키지로 주목되고 있는 BBA(Ball Grid Array), Cavity BGA 및 Die Down BGA 및 테이프(Tape) BGA등과 같이 솔더볼을 입출력 단자로 사용하는 반도체 장치들은 대부분 기판재료로서 PCB류 또는 폴리이미드 테이프 등을 사용하고 있다.
이러한 반도체 패키지는 제조공정중 고온(150℃이상)의 공정들을 거치는 동안 자재들이 열 응력을 받게 되며, 각 자재들은, 예를들면 플라스틱바디(2)와 PCB(PCB : Printed Circuit Board)기판(1) 사이의 열팽창 계수가 다른 관계로 제1도와 같은 휨일 발생된다.
따라서, BGA 패키지의 경우에는 기판의 한쪽만 몰딩되는 원 사이드(one-side) 몰딩방식을 택하고 있기 때문에 상기 휨현상은 더욱 심하게 된다. 이때 기판의 일면에 부착된 솔더볼(3) 어레이는 기판(1)의 휨과 더불어 휘기 때문에 솔더볼 어레이의 평평도(Coplanarity)는 악화된다. 즉, 도면에 도시된 바와 같이 일정 높이(G) 만큼의 간격이 발생된다.
이와 같이 솔더볼 어레이의 평평도가 악화되어 어느 정도를 넘어서게 되면 반도체 장치를 마더볼드(Mother Board)에 실장할 때 제2도와 같이 특정위치에 배치된 솔더볼들, 예를들면, 제2도의 (a)의 경우 기판의 외곽측에 배치된 솔더볼이 제2도의 (b)의 경우에는 기판의 내측에 배치된 솔더볼이 마더보드에 접촉되지 않아 제품의 기능을 상실하는 경우가 발생하게 된다.
종래에는 플라스틱바디 및 기판의 휨을 방지하는데 주력하였다. 즉, 제3도에 도시된 바와같이 반도체 패키지의 플라스틱바디(2)의 형상을 일반적인 정사각형이나 직사각형 모양에서 열에 대한 응력에 강한 다른 형상, 예를들면 바디의 모서리 형상을 둥근 라운드형으로 변형시키거나, 제4도에 도시된 바와 같이 상기 바디의 모서리각을 7~12。에서 25~35。로 하여 바디(2) 및 기판(1)의 휨을 최소화 하고자 하였다.
이러한 휨 방지를 위한 방안은 근본적으로 반도체 장치를 마더보드에 실장할 때 접촉도 향상을 고려한 것이라기 보다는, 바디 내부의 반도체 칩을 보호하고 자재들간의 균열을 방지하기 위한 것이다. 따라서 제1도의 (c)(d) 및 제2도의 (b)의 경우 플라스틱 바디의 휨은 개선되지만 기판의 휨의 개선은 기대하기 힘들다.
또한, 제2도의 (a)와 같이 반도체 패키지가 오목하게 휨이 발생되는 패키지는 일본공개특허공보 평7-22538(95.1.24)호에 의해 솔더볼을 평탄화시키도록 된 것이 제시된바 있다.
상기한 일본공개특허공보 평7-22538호의 주요 구성은, 솔더볼이 부착되는 랜드의 직경이 솔더마스크에 의해 한정적으로 개방되는 크기를 중앙부로부터 외주로 향하여 점차로 작아지도록 형성하거나, 또는 솔더볼이 부착되는 랜드의 직경이 솔더마스크에 의해 한정적으로 개방되는 크기를 동일하게 형성하고, 이 랜드에 융착되는 솔더볼의 공급량을 중앙부로부터 외주로 향하여 점차로 작아지게 변화시키는 것에 의해 솔더볼을 평탄화를 시켰다.
그러나, 상기한 구조는 랜드를 한정적으로 감싸는 솔더마스크에 의해 솔더볼이 융착되는 직경을 조절하도록 되어 있음으로써, 상기한 솔더마스크로 랜드를 개방되는 영역을 정확하게 조절하여 감싸지도록 하는 공정이 매우 난이하여 실용화되기가 어려웠다.
본 발명은, 기판과 플라스틱 바디로 이루어지는 반도체 패키지의 휨이 볼록하게 발생된 경우에 한해서 솔더볼을 평탄화시키도록 된 것으로, 그 구성은 상기한 기판에 형성되는 금속성 솔더볼 랜드의 직경을 중앙부로부터 외곽으로 갈수록 점차로 커지게 변화시키는 것에 의해 달성된다. 즉, 종래에는 솔더마스크에 의해 랜드가 오픈되는 크기를 조절하도록 되어 있으나, 본 발명은 랜드의 직경을 조절하도록 된 것으로, 실용화가 가능하도록 된 것이다.
다음 테이블은 솔더볼을 솔더볼 랜드에 안착시키고 리플로우한 후의 솔더볼 직경 및 높이를 표시한 것이다.
상기 표에는, 직경이 0.76mm인 솔더볼이 서로 다른 직경을 갖는 솔더볼 랜드의 랜딩영역에 안착되어 리플로우 한 후에 솔더볼의 직경 및 높이에 변화가 어떻게 일어났는지를 보여주는 것으로서, 먼저 솔더볼 랜드의 솔더볼랜드의 직경이 0.636mm인 경우, 솔더볼의 직경은 평균 0.807mm로 직경이 약 6.1% 증가하였음을 알 수 있다.
한편, 솔더볼 랜드의 솔더볼랜드의 직경이 0.605mm인 경우, 솔더볼의 직경은 평균 0.796mm로서 약 4.7% 증가하였음을 알 수 있다. 이와같이 솔더볼 랜드의 솔더볼랜드의 직경이 커짐에 따라 리플로우후의 솔더볼 직경도 더불어 증가함을 알 수 있다.
BGA 반도체 패키지 기판의 휨을 보상하는데 있어서는 솔더볼의 높이 변화가 주요 관심 대상인데 이 경우에 리플로우후 솔더볼 높이는, 솔더볼랜드의 직경이 0.636mm 일 때 평균높이가 0.588mm로서 원래 높이에 비해 29.2%가 낮아진 반면 솔더볼랜드의 직경이 0.605mm일때 평균높이는 0.600mm로서 원래 높이에 비해 26.6%가 낮아졌다.
본 발명은 이러한 실험에 착안하여 BGA 패키지 기판 휨을 솔더볼의 높이를 조정함으로서 전체적으로 평탄화 하고자 한 것이다.
제5도는 본 발명에 의한 기판 솔더볼랜드 설계를 나타낸 도면이다. 기판(1)에는 솔더볼 랜드(5)가 놓여서 후에 솔더볼이 그 위에 형성되게 되는데, 상기 랜드의 재질로는 금(Au), 니켈(Ni) 또는 동(Cu)과 같은 금속이 사용된다. 이러한 랜드는 기판이 휘어 있는 정도에 따라서 그리고 기판이 휘어있는 정도에 따라서 서로 다른 크기로 형성된다.
즉, 기판(1)의 중앙부로부터 외곽으로 갈수록 랜드의 크기가 점차로 커지게 변화시키도록 구성된 것으로, 이와 같이 형성된 랜드상에 솔더볼을 용착시킨 후 마더보드에 실장한 형상이 제5도의 (b)에 도시되어 있다.
제7도는 제5도의 기판 일부를 확대한 것으로서, 솔더볼 랜드(a)(b)(c)(d)는 기판의 최외곽에 위치한 랜드(a)가 가장 크고 기판의 내측으로 갈수록 작아져서 정 중앙의 랜드(d)가 가장 작게 형성된다.
따라서, 상기 도표에서 고찰해 본 바와 같이, 제5도의 경우, 기판의 외곽에 배치된 랜드(a)상의 솔더볼은 리플로우에 의해서 높이가 낮아지고, 기판의 내측으로 갈수록 솔더볼의 높이가 높아져서, 기판이 휨이 보상된다.
이처럼 솔더볼이 용착되는 솔더볼 랜드의 직경을 기판의 부위에 따라 차등화하므로 솔더볼의 상대적인 높이를 균일하게 조절할 수 있게 되며, 그에 따라서 기판의 휨에 의해서 생기는 마더보드에 실장시 비접촉 솔더볼 결함을 방지할 수 있다.

Claims (2)

  1. 기판과 플라스틱 바디로 이루어지며 기판상에서 솔더볼을 입출력 단자로 사용하는 볼그리드 어레이 반도체 패키지의 솔더볼 평탄화 방법에 있어서, 상기 솔더볼이 부착되는 기판의 중앙부로부터 외곽으로 갈수록 점차로 직경이 커지게 변화시키는 금속성 솔더볼 랜드를 형성하고, 이 금속성 솔더볼 랜드에 동일크기의 솔더볼을 얹은 뒤 용착시키므로 상기 기판의 중앙부가 볼록하게 변형된 경우에 솔더볼을 평탄화시키도록 된 것을 특징으로 하는 솔더볼을 입출력 단자로 사용하는 볼그리드 어레이 반도체 패키지의 솔더볼 평탄화 방법.
  2. 기판과 플라스틱 바디로 이루어지며 기판상에서 솔더볼을 입출력 단자로 사용하는 볼그리드 어레이 반도체 패키지의 솔더볼 평탄화를 위한 기판 구조에 있어서, 상기 솔더볼이 부착되는 기판의 중앙부로부터 외곽으로 갈수록 점차로 커지는 직경을 갖는 금속성 솔더볼 랜드가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 솔더볼을 입출력 단자로 사용하는 볼 그리드 어레이 반도체 패키지의 솔더볼 평탄화를 위한 기판구조.
KR1019950019581A 1995-07-05 1995-07-05 솔더볼을 입출력 단자로 사용하는 볼그리드 어레이 반도체 패키지의 솔더볼 평탄화 방법 및 그 기판구조 KR100192766B1 (ko)

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