KR100529710B1 - 플립칩 패키징 방법 및 이를 이용한 발광다이오드의패키징 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플립칩 패키징 방법 및 이를 이용한 발광다이오드의 패키징 구조에 관한 것으로, 본 발명의 방법은, 웨이퍼에 스터드 범프를 형성하는 범프 형성단계; 웨이퍼의 일면에 테이프를 접착하는 테이프 접착단계; 상기 테이프가 접착된 웨이퍼를 칩 단위로 절단하는 다이싱단계; 기판의 패드와 칩의 패드에 형성된 상기 스터드 범프를 열압착 및 초음파를 인가하여 접착하는 플립칩 본딩 단계; 패키지 타입의 본딩일 경우에, 상기 플립칩 본딩 단계에서 칩이 본딩된 세라믹 패키지에 뚜껑을 씌우고 실링하는 단계; 및 온보드 타입의 본딩일 경우에, 상기 플립칩 본딩 단계에서 칩이 본딩된 메인보드에서 칩과 메인보드간의 연결공간을 수지로 충진하는 단계를 포함하여 구성된다.

따라서, 본 발명에 따르면 플립칩 본딩을 함에 있어서 열압착에 초음파를 부가하여 공정을 신속하게 처리할 수 있고, 특히 LED를 본 발명에 따라 플립칩으로 제작할 경우에 밝기가 밝아지고, 수명이 늘어나며, 투명한 물질로 안을 채울 필요가 없는 잇점이 있다.

Description

플립칩 패키징 방법 및 이를 이용한 발광다이오드의 패키징 구조{Flip Chip Packaging Method and LED Packaging Structure using thereof}

본 발명은 반도체 패키징 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플립칩 기술을 이용한 패키징 방법 및 그 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 패키지는 전기적으로 외부와 연결할 수 있는 핀과 칩(다이)을 장착시킬 수 있는 구조물인 리드 프레임, 리드 프레임과 본딩패드를 연결하는 선, 칩을 장착하는 패들, 및 봉합물질들로 이루어진다. 그리고 반도체 패키지는 사용되는 밀봉재료에 따라 수지 밀봉 패키지, TCP(Tape Carrier Package) 패키지, 글래스 밀봉 패키지, 금속 밀봉 패키지 등으로 구분되고, 실장방법에 따라 삽입형과 표면실장형(SMT: Surface Mount Technology)으로 구분된다. 삽입형 패키지로는 DIP(Dual In-line Package), PGA(Pin Grid Array) 등이 있고, 표면실장형으로는 QFP(Quad Flat Package), PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier), CLCC(Ceramic Leaded Chip Carrier), BGA(Ball Grid Array) 등이 있다.

한편, 칩(Die)을 기판(Substrate)에 장착하거나 물리적인 연결방식을 본딩(bonding)이라 하는데, 본딩은 다이 본딩(Die Bonding), 와이어 본딩(Wire Bonding), TAB, 플립칩 본딩(Flip Chip Bonding) 등이 있다. 여기서, 플립칩 본딩은 칩의 접속 패드에 돌기(Dump)를 만들어 PCB 기판에 직접에 접속하는 방식으로 일명 C-4라고도 하며, 선접속 과정이 없고 가장 경박 단소할 뿐만 아니라 집적도나 성능면에서 탁월하여 극소형화되는 전자제품에 널리 각광받고 있는 기술이다.

도 1은 일반적인 플립칩 본딩을 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 플립칩 본딩은 웨이퍼(10)로부터 절단된 칩(11)의 본딩 패드(12)에 스터드 펌프(stud bump: 13)를 형성한 후 칩(11)을 뒤집어(Flip) 기판(20)상의 리드패드(21)에 직접 접속하는 구조이다. 이때 칩(11)을 세라믹 패키지(도 2의 22)에 플립칩 본딩하는 패키지 타입 플립칩 본딩과, 메인보드(25)상에 직접 플립칩 본딩하는 온보드 타입 플립칩 본딩으로 구분된다.

도 2a는 패키지 타입 플립칩 본딩의 예이고, 도 2b는 온보드 타입 플립칩 본딩의 예이다.

도 2a를 참조하면, 패키지 타입에서 칩(11)은 세라믹 패키지(22)에 플립칩 본딩되어 있고, 이 패키지가 메인보드(25)에 실장되어 있다. 세라믹 패키지(22)는 패키지 뚜껑(23)에 의해 밀봉되어 있으며, 온보드 타입은 칩(11)이 메인보드(25)상에 직접 플립칩 본딩된 후 수지(26) 등에 의해 범프(13) 연결부분이 몰딩되어 있다.

그런데 이와 같은 종래의 플립칩 본딩은 열압착방식을 사용하므로 공정속도가 느리고, 와이어 본딩은 소형 경박화에 한계성이 있는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 공정속도가 빠르고 작업효율이 향상된 플립칩 패키징 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 플립칩 패키징 방법이 적용된 발광다이오드의 패키징 구조를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은, 웨이퍼에 스터드 범프를 형성하는 범프 형성단계; 웨이퍼의 일면에 테이프를 접착하는 테이프 접착단계; 상기 테이프가 접착된 웨이퍼를 칩 단위로 절단하는 다이싱단계; 기판의 패드와 칩의 패드에 형성된 상기 스터드 범프를 열압착 및 초음파를 인가하여 접착하는 플립칩 본딩 단계; 패키지 타입의 본딩일 경우에, 상기 플립칩 본딩 단계에서 칩이 본딩된 세라믹 패키지에 뚜껑을 씌우고 실링하는 단계; 및 온보드 타입의 본딩일 경우에, 상기 플립칩 본딩 단계에서 칩이 본딩된 메인보드에서 칩과 메인보드간의 연결공간을 수지로 충진하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 플립칩 본딩단계는 히팅수단에 의해 기판에 열을 가하고, 툴에 의해 칩에 압력과 초음파를 인가하는 것을 특징으로 하고, 상기 실링단계는 패키지 뚜껑과 세라믹 패키지를 접합재료를 사용하여 실링하고, 상기 접합재료는 은-주석 혹은 주석-납 합금인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 발광다이오드 패키징 구조는 제1 칩이 플립칩 본딩에 의해 기판의 패드에 접속되어 있고, 상기 제1 칩의 노출평면에는 에폭시에 의해 제2 칩이 접착되어 있으며, 상기 제2 칩의 본딩 패드에는 스터드 범프가 형성되어 있고, 상기 스터드 범프는 와이어 본딩에 의해 기판의 패드와 접속된 적층 구조를 갖는다.

또한 본 발명의 발광다이오드 패키징 구조의 다른 예에 따르면 제1 칩이 플립칩 본딩에 의해 제1 기판의 패드에 접속되어 있고, 다른 제2 칩도 플립칩 본딩에 의해 투명한 제2 기판의 패드에 접속되어 있으며, 상기 제1 칩과 상기 제2 칩이 에폭시에 의해 접착되어 적층된 구조를 갖는다. 여기서, 상기 발광다이오드 패키징 구조는 투명 수지로 몰딩되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 플립칩 패키징 방법의 절차를 도시한 순서도이다.

본 발명에 따른 플립칩 패키징 방법은 도 3에 도시된 바와 같이, 웨이퍼를 입력받아 골드 스터드 범프를 형성하는 단계(S1,S2), 테이프를 접착하는 단계(S3), 웨이퍼를 절단하는 단계(S4), 패키지 타입일 경우 서브스트레이트를 세정한 후 플립칩을 서브스트레이트에 접합하는 단계(S11,S12,S5), 온보드 타입일 경우 메인보드를 세정한 후 메인보드에 플립칩을 접합하는 단계(S21,S22,S5), 패키지 타입일 경우 패키지 뚜껑(Lid)을 정치시키는 단계(S13), 실링하는 단계(S14), 온보드 타입일 경우 수지를 충진하는 단계(S23), 및 패키징 완료 후 최종 검사하는 단계(S6)로 이루어진다.

도 3을 참조하면, 스터드 범프(Stud Bump)를 형성하는 단계(S2)는 웨이퍼(10)의 알루미늄 패드(12)에 접속을 위한 골드 스터드 범프(Gold Stud Bump)를 형성하는 공정으로서, 범프(Bump)의 형태는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 2가지 타입이 있다. 도 4a는 웨이퍼(11)의 알루미늄 패드(12) 위에 길게 돌기가 형성된 스터드 범프(13)를 도시한 것이고, 도 4b는 돌기가 낮은 형태의 스터드 범프(13)를 알루미늄 패드(12) 위에 형성한 것이다.

테이프를 접착하는 공정(S3)은 범프가 올려진 웨이퍼를 다이싱할 경우에 다이(칩)가 개별적으로 이탈하지 않도록 테이프로 고정해주는 공정이다. 테이프 접착시의 수직 구조는 도 5에 도시된 바와 같이, 양단에 위치한 프레임 링(54)으로 테이프(52)를 지지하면서 웨이퍼(10)를 테이프 접착면에 올려 놓아 접착시킨다.

웨이퍼 절단 공정(S4)은 웨이퍼 상태의 칩들을 절단기(도 6의 60)에 의해 개별적으로 분리하는 공정으로서, 절단시의 측단면도는 도 6에 도시된 바와 같이 절단기(60)의 블레이드(61)가 웨이퍼(10)를 완전히 자르고 테이프(52)는 일부만 잘라 절단된 후에도 테이프(52)에 의해 칩(11)들이 개별적으로 흩어지지 않게 되어 있다. 이와 같이 절단된 상태의 웨이퍼(10)는 도 6의 (나)에 도시된 바와 같은데, 도 6에서 참조번호 63은 웨이퍼의 두께(Wafer Thickness)를 나타내고, 참조번호 64는 절단 깊이(Cut Depth)를 나타내며, 참조번호 65는 인덱스(Index), 참조번호 66은 절단 두께(Cut Width)를 나타낸다.

플립칩 접합공정(S5)은 골드 스터드 범프된 칩(11)을 세라믹 기판이나 PCB 등에 초음파를 이용하여 접착하는 공정이다. 본 발명에 따른 플립칩 접착공정(S5)에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 기판(20)에는 히팅수단(73)을 통해 열을 가하고 칩(11)에는 툴(72)에 의해 초음파(75)을 인가함과 아울러 기판측으로 압력(74)을 가해 범프(13)로 사용된 도전체가 열(heat), 초음파(Ultra sonic), 및 압력(Pressure)에 의해 발생된 에너지로 칩(11)과 기판(20)을 부가적인 접착물질 없이도 전기적으로 연결해준다. 이와 같이 본 발명에서는 기존의 열압착 플립칩 공법과 달리 열압착과 동시에 초음파를 가해줌으로써 종래보다 공정시간을 단축할 수 있는 잇점이 있다. 도 7을 참조하면, 히팅수단(73)에 의해 가열된 기판(20)의 리드패드(21)는 칩(11)의 본딩 패드(12) 위에 형성된 범프(13)에 의해 서로 접착되어 있고, 접착시 칩(11)에는 툴(72)에 의해 초음파(75)와 압력(74)이 가해지는 것을 알 수 있다.

한편, 플립칩(11)을 접합시키는 대상은 패키지 타입일 경우와 온보드 타입일 경우에 따라 달라지는데, 패키지 타입의 경우에는 도 8에 도시된 바와 같이 세라믹 패키지(81)에 접합시키고, 온보드 타입일 경우에는 도 9에 도시된 바와 같이 메인보드(25)상에 직접 접합시킨다.

그리고 이후의 공정도 타입에 따라 서로 달라지는데, 패키지 타입의 경우에는 플립칩 접합 공정 후에 패키지 뚜껑(83)을 세라믹 패키지(81) 위에 올려 놓는 패키지 뚜껑 정치(Lid Pick Up& Lid Place) 공정(S13)과 실링(sealing) 공정(S14)으로 이어지고, 온보드 타입의 경우는 수지 충진(Underfill) 공정(S23)으로 이어진다.

다시 도 3을 참조하면, 패키지 타입의 경우 패키지 뚜껑(Lid) 정치공정(S13)은 픽업 툴(Pick Up tool)에 의해 리드 트레이(Lid Tray)에 있는 리드(Lid)(83)를 픽업하여 세라믹 패키지(81) 위에 올려놓고, 실링(Sealing) 공정(S14)에서는 외부 환경으로부터 칩(11)을 보호하기 위하여 플립칩 본딩된 새라믹 패키지(81)와 Lid(83)간을 접착물질(84)을 이용하여 접합한다. 이때 접합재료로는 은-주석(며-누)합금이나 주석-납(Sn-Pb) 합금을 사용한다. 이와 같이 실링 공정(S14)에서의 패키지의 수직구조는 도 8에 도시된 바와 같이, 세라믹 패키지(81) 안에 칩(11)이 플립본딩되어 있고, 패키지 뚜껑(83)과 세라믹 패키지(81)는 접합재료(84)에 의해 접합되어 있다. 미설명부호 82는 리드패드를 나타내고, 13은 범프를 나타낸다.

온보드 타입의 경우에 플립칩 접합(S5) 후 수지 충진 공정(S23)에서는 디스펜서(91)를 이용하여 솔더 범프된 칩(11)과 기판(25) 간을 폴리머(92)로 충진한다. 수지 충진 공정(S23)에서의 패키지의 수직구조는 도 9에 도시된 바와 같이, 기판(25)에 플립칩 본딩을 통해 접착된 칩(11)과 기판(25) 사이의 공간을 디스펜서(91)를 이용하여 수지(92)로 충진한다. 따라서 칩(11)과 기판(25)을 연결하는 범프(13) 및 연결부위는 수지(92)에 의해 보호된다. 이때 수지(92)로 칩(11) 전체를 둘러싸는 몰딩을 할 수도 있다.

도 10은 이와 같은 본 발명의 공정을 이용하여 적층된 LED칩 구조의 제1 예이다.

도 10을 참조하면, 제 1 LED 칩(11-1)은 플립칩 본딩을 통해 기판(20)에 접착되어 있고, 제 2 LED 칩(11-2)은 스터드 범프(13)가 형성된 상태로 반대면이 제 1 LED칩(11-1)과 에폭시 수지(17)를 통해 접착되어 있으며, 제 2 LED 칩(11-2)의 범프(13)는 기판(20)과 와이어 본딩된 구조를 이루고 있다. 이와 같이 LED를 플립칩으로 적층하여 만들 경우에는 밝기가 밝아지고, 수명이 늘어나며, 투명한 물질로 안을 채울 필요가 없는 잇점이 있다. 다만 도 10과 같이 제2 칩(11-2)이 와이어 본딩 방식으로 사용된 경우에는 와이어(18)가 휘는 것을 방지하기 위하여 투명한 물질(19)로 몰딩하는 것이 바람직하다.

도 11은 본 발명에 따라 적층된 LED칩 구조의 다른 예로서, (가)는 몰딩하지 않은 경우를 도시한 도면이고, (나)는 몰딩한 경우를 도시한 도면이다.

도 11을 참조하면, 제1 기판(20-1) 위에 제1 LED칩(11-1)을 플립칩 본딩하고, 제2 기판(20-2) 위에 제2 LED칩(11-2)을 플립칩 본딩한 후 제1 LED칩(11-1)과 제2 LED칩(11-2)을 에폭시(27)로 접착한 구조이다. 제2 LED칩(11-2)에 사용되는 기판(20-2)은 투명한 보드로 빛이 투과할 수 있어야 한다. 이와 같이 제1 LED칩(11-1)과 제2 LED칩(11-2)을 모두 플립칩 본딩한 경우에는 (가)와 같이 별로로 몰딩을 할필요도 없으나 (나)와 같이 투명한 물질(19)로 기판 사이 공간을 매울 수도 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 플립칩 본딩을 함에 있어서 열압착에 초음파를 부가하여 공정을 신속하게 처리할 수 있고, 특히 LED를 본 발명에 따라 플립칩으로 제작할 경우에 밝기가 밝아지고, 수명이 늘어나며, 투명한 물질로 안을 채울 필요가 없는 잇점이 있다.

도 1은 일반적인 플립칩 본딩을 설명하기 위해 도시한 도면,

도 2a는 패키지 타입 플립칩 본딩의 예,

도 2b는 온보드 타입 플립칩 본딩의 예,

도 3은 본 발명에 따른 플립칩 패키징 방법의 절차를 도시한 순서도,

도 4a,b는 도 3에 도시된 스터드 범프 형성의 예,

도 5는 도 3에 도시된 테이프 접착의 예,

도 6a,b은 도 3에 도시된 웨이퍼 절단 공정의 예,

도 7은 도 3에 도시된 플립칩 접합공정의 예,

도 8은 도 3에 도시된 실링 공정의 예,

도 9는 도 3에 도시된 수지충진 공정의 예,

도 10은 본 발명에 따라 적층된 LED칩 구조의 예,

도 11a,b은 본 발명에 따라 적층된 LED칩 구조의 다른 예.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 웨이퍼 11: 칩(다이)

12: 본딩 패드 13: 스터드 범프

20: 기판 21: 리드패드

22: 세라믹 패키지 23: 패키지 뚜껑

25: 메인보드 52: 접착 테이프

Claims (6)

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5. 제1 칩이 플립칩 본딩에 의해 제1 기판의 패드에 접속되어 있고, 다른 제2 칩도 플립칩 본딩에 의해 투명한 제2 기판의 패드에 접속되어 있으며, 상기 제1 칩과 상기 제2 칩이 에폭시에 의해 접착되어 적층된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키징 구조.
6. 제5항에 있어서, 상기 발광다이오드 패키징 구조는 투명 수지로 몰딩되는 것을 특징으로 하는 발광다이오드 패키징 구조.