KR100299885B1 - 반도체장치및그의제조방법 - Google Patents

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가네꼬 히사시
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Abstract

반도체 칩 (2) 이 플립칩으로 탑재된 복수의 기판 (1) 을 적층을 위하여 제공된 솔더 범프 (7) 에 의해 적층한다. 칩의 상부면 (9) 과 기판 (1) 사이의 공간을 유연성 수지로 충전하여, 완충재층 (8) 을 형성한다. 이러한 유형의 3 차원 반도체 모듈 구조를 채택함으로서, 외부에서 가해지는 충격과 진동을 완충재층 (8) 이 흡수하여, 내충격성과 내진동성을 향상시킨다.

Description

반도체 장치 및 그의 제조방법{SEMICONDUCTOR DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 베어칩 (bare chip)을 탑재한 기판의 3 차원 적층구조를 갖는 반도체 장치에 관한 것이다.
반도체 칩, 특히 반도체 메모리 장치의 패키지에 있어서, 보다 더 높은 고밀도화, 소형화(compactness) 및 대용량화을 달성하기 위해, 3 차원으로 칩을 적층하는 방법이 널리 사용되고 있다. 이러한 구조를 사용함으로서, 실장면적을 크게 줄일 수 있다.
그러나, 3 차원으로 칩을 적층하면, 열팽창 계수의 차이 때문에, 열이력에 의해 발생하는 응력 (stress), 변형 (strain) 및 후속 불량 접속이 발생할 수 있다. 따라서, 이러한 방법을 우주선에 적용하는 경우, 내충격성 (耐衝擊性) 및 내진동성 (耐振動性) 을 고려해야 하므로, 이에 대한 몇 가지 방법이 제안되었다.
예를 들어, 일본 특개평 6-275775 호에 개시되고, 도 3 에 도시된 바와 같이, TAB (tape automated bonding) 테이프에 칩 (2) 을 탑재하여, TAB 장치를 형성한 구조가 3 단 적층구조 (17A 내지 17C) 로 되어 있다.
도 3 에서, 칩 (2) 은 범프 (13) 또는 플립칩 방법에 의해 리드 (lead; 11)에 접속되어 있고, 칩 (2) 의 TAB 테이프측의 부분은 보호수지 (12) 로 피복되어 있다. TAB 장치는 모듈 플레이트 (14) 에 탑재되어 있다. 모듈 플레이트 (14) 는 내열성이 높고 가급적 열전도성이 양호한 재료로 이루어진다.
TAB 장치를 모듈 플레이트 (14) 에 탑재하는 경우, 모듈 프레이트 (14) 의 요부 (凹部; depresssin) (15) 내에 열전도성이 양호한 접착재 (6) 를 사용하여 TAB 장치를 탑재함으로써, 칩 (2) 의 배면을 요부 (15) 의 내면과 접촉시킨다. TAB 장치 중 리드 (11) 의 외측 (outer) 리드부를 모듈 플레이트 (14) 의 외측면에 있는 접속 패턴에 접속시켜, TAB 장치와 모듈 플레이트 (14) 로 구성된 모듈 유니트 (17A∼17C) 를 형성한다.
복수의 모듈 유니트 (17A∼17C) 사이에 완충부재 (18) 를 개재하여 서로 적층시킨다. 완충부재 (18) 는 이방성 도전수지 또는 이방성 도전고무로 이루어지고, 상하 방향으로만 도전성이 있기 때문에, 적층된 모듈 유니트들을 전기적으로 접속시킨다. 상술된 구조에 의해, 완충부재 (18) 가 외부에서 인가된 충격과 진동을 흡수하여, 장치의 내진동성을 향상시킬 수 있다.
일본 특개평 2-42739 호에 다른 종래의 기술이 개시되어 있다. 도 4a 에 도시된 바와 같이, 절연기판 (1) 상에 유연성 접착제층 (20) 을 형성하고, 유연성 접착제층 (20) 상에 패드 (21) 와 배선패턴을 형성한다. 다음으로, 범프 (22) 에 의해 패드 (21) 상에 칩 (2) 을 접속시킨다.
도 4b 에 도시된 바와 같이, 절연기판 (1) 상에 유연성 접착제층 (20) 을 형성한 후, 패드 (21) 와 배선패턴을 제외한 부분들을 에칭에 의해 제거한다. 그 다음에, 범프 (22) 에 의해 남아있는 패드 (21) 상에 칩 (2) 을 접속시킨다.
상술한 바와 같은 구조를 채택함으로서, 칩 (2) 과 기판 (1) 사이에 개재된 유연성 접착제층 (20) 이 완충층으로서 작용하여, 그들간의 접속 신뢰성을 향상시킨다.
일본 특개평 6-275775 호에 개시된 종래 기술에서, 모듈 유니트들을 적층시켜 그들간의 전기적 접속을 위한 물질로서 이방성 도전수지 또는 이방성 도전고무를 사용한다. 일반적으로, 이방성 도전수지 또는 이방성 도전고무는 금속에 비해 전기저항이 커서, 특히 메모리 칩들에 저전압 용도로 적용하기 어려운 문제점을 갖는다.
일본 특개평 2-42739 호에 개시된 종래 기술에서는, 기판과 칩 사이를 접속하는데 솔더 (solder) 를 사용하지만, 실제로 그들간의 확실한 접속을 위하여 플럭스 (flux) 를 사용한다. 그러나, 플럭스내에 함유되어 있는 할로겐 이온이 잔류하면, 베어칩에 악영향을 미치는 문제가 있다.
이 때문에, 우주선에서 사용되는 정밀기기에서는 솔더의 사용을 피하고, 플럭스를 필요로 하지 않는 금 등의 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 금으로 만들어진 범프들을 사용하여 플립칩 접속을 행하는 경우, 가열 뿐만 아니라 힘과 진동을 가하는 것은 필수이다. 이것이 행해질 때, 확실한 접속을 달성하기 위하여, 어느 정도의 경도 (hardness) 를 갖는 랜드 (land) 가 요구된다.
그러나, 상술한 종래 기술에서는, 랜드 바로 하부에 있는 유연성 접착제로 인하여, 기판 상의 랜드와 금 등으로 만들어진 범프를 접속시키기 어렵다. 또한, 제조공정이 복잡하고 비용도 높다.
상술한 종래기술의 결점을 고려하여, 본 발명의 목적은 내충격성과 내진동성을 향상시킬 수 있는 극히 간단한 구조를 갖는 반도체 장치를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 복수의 기판을 적층하는 경우, 접속부를 비교적 낮은 레벨의 저항값으로 형성하여 비교적 낮은 전압레벨로 구동할 수 있는 반도체 장치를 제공하는 것이다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 실장구조의 단면도;
도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치의 실장구조의 단면도;
도 3 은 종래 기술에서의 반도체 장치의 실장구조의 단면도;
도 4 는 종래 기술에서의 반도체 장치의 실장구조의 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
1 : 기판 2 : 칩
3 : 금범프 4 : 내부 패드
5 : 외부패드 6 : 밀봉수지
7 : 범프 8 : 완충재층
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 복수개의 기판이 적층되고 서로 전기적으로 상호 접속되어 있는 적층구조를 구비하는 반도체 장치로서, 기판의 표면 중 일 표면 상에 반도체 칩이 탑재되어 있으며, 이 적층구조는 반도체 칩의 상부면과 이 면에 대향하는 기판의 다른 표면 사이에 배치되어 충격과 진동을 흡수할 수 있는 완충재를 구비한다.
그리고, 본 발명의 방법은 기판의 표면 중 일 표면 상에 반도체 칩이 탑재되어 있는 복수개의 기판이 적층되고 서로 전기적으로 상호 접속되어 있는 적층구조를 구비하는 반도체 장치를 제조하는 방법으로서, 반도체 칩의 표면상에 금속 범프를 형성하는 제 1 단계; 반도체 칩과 기판을 조립하도록 기판의 패드부를 금속으로 도포하는 제 2 단계; 플립칩 방법을 사용하여 반도체칩을 기판에 접속시키는 제 3 단계; 접속된 부분의 접속부를 밀봉수지로 밀봉하는 제 4 단계; 제 3 단계에서 각각 만들어지고 기판 사이에 솔더범프를 배치하여 복수개의 기판을 서로 적층하는 제 5 단계; 적층된 기판들을 서로 전기적으로 접속시키는 제 6 단계; 및 반도체 칩의 상부면과 기판의 다른 표면 사이에 충격과 진동을 흡수할 수 있는 완충재를 충전하는 제 7 단계를 구비한다.
본 발명에 따른 반도체 장치는 적층구조로서, 칩들이 탑재되어 있는 제 1 기판과 제 2 기판을 구비하고, 제 2 기판은 제 1 기판상에 배치되며, 완충재는 제 1 기판 상에 있는 반도체 칩의 정면 (front surface) 과 제 2 기판의 이면 (rear surface) 사이에 제공된다.
또한, 제 1 및 제 2 기판은 금속 전극인 범프들에 의해 상호 접속되고, 적층된 기판들 사이의 공간이 완충재로 충전된다.
본 발명에 의하면, 칩이 적층되어 탑재된 기판들 사이에 유연성 완충재를 제공함으로써, 외부에서 가해지는 충격 및 진동을 흡수함으로써, 내충격성과 내진동성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 장치의 실장구조를 나타낸 단면도이다. 이하, 도 1 을 참조하여 제조방법을 설명한다. 예를 들어, 알루미나 또는 세라믹 등으로 이루어진 내부 패드 (4) 와 배선 패턴이 형성되어 있는 기판 (1) 과, 금범프 (3) 가 형성되어 있는 칩 (2) 을 플립칩 접속한다. 금범프 (3) 는, 예를 들어 금와이어를 이용한 볼 (ball) 방법에 의해 제조한다.
기판 (1) 측의 내부 패드 (4) 상에는, 금범프 (3) 에 의한 접속을 확실히 하기 위하여, 플레이팅 (plating) 또는 스퍼터링 중 하나의 방법으로 미리 1 내지 5 ㎛ 의 두께로 금을 형성한다. 플립칩 접속을 행하는 경우, 가열과 가압 또는 진동 등을 병용하여 열압착 (hot-press bond) 을 행한다. 그 다음에, 칩 (2) 과 기판 (1) 사이에 밀봉수지 (6) 를 주입하여, 금범프 (3) 의 접속부 (C) 를 수지 (6) 로 피복하고, 이 수지 (6) 를 경화하여 밀봉을 형성한다.
그 다음에, 유연성을 갖는 완충재층 (8) 을 칩 상부면 (9) 상에 형성하고, 반경화(semi-cured)시킨다. 본 발명에서는 완충재로서 유연성을 갖는 실리콘 수지 또는 에폭시 수지 등을 사용한다. 칩 (2) 이 탑재된 기판 (1) 의 외부패드 (5) 상에, 적층용 범프 (7) 를 형성한다. 적층용 범프 (7) 는, 예를 들어 플럭스 등의 점성을 이용하여 외부패드 (5) 상에 납주석 솔더볼들을 배치하고, 그들을 가열, 융해시켜 형성한다. 범프 (7) 의 높이는 솔더볼 크기를 선택함으로써, 기판 (1) 표면에서부터 완충재층 (8) 표면까지의 높이 이상으로 형성한다.
다음으로, 칩 (2) 이 탑재되어 있는 기판 (1) 을 복수개 적층시키고, 리플로우 (reflow) 에 의해 솔더를 융해시켜 일괄적으로 접속시킨다. 동시에, 완충재층 (8) 을 완전히 경화시켜, 도 1 에 도시된 바와 같은 반도체용 실장구조를 형성한다. 또한, 적층 공정 이후에 수지를 주입하여 완충재층 (8) 을 형성할 수도 있다.
상술한 반도체 실장구조를 채택함으로서, 칩 상부면 (9) 과 기판 (1) 사이에 수지로 이루어진 유연성 완충재층 (8) 이 있기 때문에, 외부에서 가해지는 충격과 진동을 흡수하여, 내충격성과 내진동성을 향상시킨다. 또한, 기판 (1) 들을 금속 (솔더) 범프 (7) 에 의해 접속하기 때문에, 전기 저항도 낮다. 또한, 기판의 내부 패드 (4) 하부에 유연성층이 없기 때문에, 금 등으로 이루어진 범프들에 의해 칩 (2) 과 기판 (1) 을 양호하게 접속시킬 수 있다.
이 실시예에서는 칩 (2) 을 기판 (1) 에 접속하는데 금범프를 사용하였지만, 솔더 범프 등도 사용할 수 있다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 장치의 실장구조를 나타낸 단면도이다. 내부 패드 (4) 와 배선패턴이 형성되어 있는 기판 (1) 과 칩 (2) 을 플립칩 접속한다. 금범프 (3) 에 의한 접속을 확실히 하기 위하여, 기판 (1) 의 내부 패드상에 플레이팅 또는 스퍼터링 중 하나의 방법으로 금층을 미리 1 내지 5 ㎛ 의 두께로 형성한다. 플립칩 접속을 행하는 경우에는, 가열과 가압 또는진동 등을 병합하여 열압착 본딩을 행한다.
그 다음에, 밀봉용 수지 (6) 를 칩 (2) 과 기판 (1) 사이에 주입하고, 경화시킨다. 그 다음에, 칩 (2) 이 탑재되어 있는 기판의 외부 패드 (5) 상에, 적층범프 (7) 를 형성한다. 적층범프 (7) 는 예를 들어, 납주석 솔더로 이루어진다. 다음으로, 칩 (2) 이 탑재되어 있는 기판 (1) 을 복수개 적층시키고, 리플로우에 의해 솔더를 융해시켜 일괄적으로 접속시킨다. 다음으로, 유연성 수지를 주입하여 각 기판 (1) 사이의 공간을 충전하고, 이것을 경화시켜, 완충재층 (8) 을 형성하여, 도 2 에 도시된 반도체 실장구조를 얻는다.
기판 (1) 의 저면과 칩의 상면 (9) 사이의 공간이 너무 협소하여 수지를 충분히 주입할 수 없는 경우에는, 제 1 실시예에서와 동일한 방식으로 칩 (2) 을 구비하는 기판 (1) 을 형성한 후에, 유연성 수지를 기판 (1) 들 사이의 공간내에 주입하여, 이것을 완충재층 (8) 으로서 사용하여, 도 2 에 도시된 반도체 실장구조를 얻는다.
상술된 반도체 실장구조를 채택함으로서, 적층된 각 기판 사이에 유연성 완충재층 (8) 이 존재하기 때문에, 외부에서 인가된 충격과 진동을 흡수하여, 내충격성과 내진동성을 향상시킨다. 또한, 기판 (1) 들을 금속 (솔더) 으로 접속시키기 때문에, 전기저항도 낮다. 또한, 기판 (1) 의 내부 패드 (4) 하부에 유연성층이 없기 때문에, 금 등으로 이루어진 범프들에 의해 칩 (2) 과 기판 (1) 간에 양호한 접속을 형성할 수 있다.
이 실시예에서는 기판 (1) 에 칩 (2) 을 접속하는데 금범프를 사용하였지만,솔더 범프 등도 사용할 수 있다.
상술된 본 발명에 따르면, 솔더 범프에 의해 적층, 접속된 칩탑재가 완료된 기판들 사이에, 유연성 완충재를 제공함으로써, 외부에서 가해지는 충격과 진동을 흡수하여, 내충격성과 내진동성을 향상시킨다. 이에 따라, 우주선과 차량 등의 충격과 진동을 받는 것에 3 차원 적층 모듈을 적용할 수 있다.

Claims (5)

  1. 기판의 표면 중 일 표면 상에 반도체 칩이 탑재되어 있는 복수개의 상기 기판이 적층되고 서로 전기적으로 상호 접속되어 있는 적층구조를 포함하며,
    상기 적층구조는
    상기 반도체칩의 하부면 상에 배치되어 상기 반도체칩과 상기 기판을 서로 접속시키는 금속범프;
    상기 기판과 상기 반도체칩의 접속부를 봉지하는 밀봉수지; 및
    상기 반도체 칩의 상부면과 상기 상부면에 대향하는 상기 기판의 다른 표면 사이에 배치되어, 충격과 진동을 흡수할 수 있는 완충재층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속범프는 금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 반도체 장치.
  3. 기판의 표면 중 일 표면상에 반도체 칩이 탑재되어 있는 복수개의 기판이 적층되고 서로 전기적으로 상호 접속되어 있는 적층 구조를 구비하는 반도체 장치의 제조방법으로서,
    상기 반도체 칩의 하부면 상에 금속 범프를 형성하는 제 1 단계;
    상기 반도체 칩과 상기 기판을 조립하도록 상기 기판의 패드부를 금속으로도포하는 제 2 단계;
    상기 반도체칩을 플립칩 방법을 사용하여 상기 기판에 접속시키는 제 3 단계;
    상기 반도체칩과 상기 기판의 접속부를 밀봉수지로 밀봉하는 제 4 단계;
    상기 제 3 단계에서 각각 만들어진 상기 기판 사이에 솔더 범프를 배치하고 복수개의 상기 기판을 서로 적층하는 제 5 단계;
    상기 적층된 기판들을 서로 전기적으로 접속시키는 제 6 단계; 및
    상기 반도체 칩의 상부면과 상기 기판의 다른 표면 사이에 충격과 진동을 흡수할 수 있는 완충재를 충전하는 제 7 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 범프 및 상기 금속 패드는 금으로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
  5. 기판의 표면 중 일 표면 상에 반도체 칩이 탑재되어 있는 복수개의 상기 기판이 적층되고 서로 전기적으로 상호 접속되어 있는 적층구조를 구비하는 반도체 장치의 제조방법으로서,
    상기 반도체 칩의 하부면 상에 금속 범프를 형성하는 제 1 단계;
    상기 반도체 칩과 상기 기판을 조립하도록 상기 기판의 패드부를 금속으로 도포하는 제 2 단계;
    상기 반도체 칩을 플립칩 방법을 사용하여 상기 기판에 접속시키는 제 3 단계;
    상기 반도체 칩과 상기 기판의 접속부를 밀봉수지로 밀봉하는 제 4 단계;
    상기 제 3 단계에서 각각 만들어진 상기 기판 사이에 솔더 범프를 배치하고 복수개의 상기 기판을 서로 적층하고, 상기 반도체 칩의 상부면과 상기 기판 사이에 충격과 진동을 흡수할 수 있는 완충재를 추가로 충전하는 제 5 단계; 및
    상기 적층된 기판들을 서로 전기적으로 접속시키고 상기 완충재를 경화시키는 제 6 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
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