KR100755832B1 - 모듈 패키지 및 모듈 패키징 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모듈 패키지 및 모듈 패키징 방법을 제공하기 위한 것으로서, 상기 모듈 패키지는 그 상부에 다수개의 소자 및 칩으로 구성되는 모듈을 한번에 패키징하기 위한 제1 패키지와, 제1 패키지와 대향하는 위치에 제1 패키지와 함께 모듈을 패키징하는 제2 패키지로 구성되며, 제1 및 제2 패키지의 기판으로 실리콘이라는 저가 재료와 종래의 반도체 공정과 유사한 마이크로머시닝 기술을 이용하여 모듈을 하나의 웨이퍼 레벨에서 대량으로 일괄적으로 형성하고 한번에 패키지하여 이를 개별 패키지로 분리함으로써 무선통신 모듈의 저가격화 및 소형화를 실현한다.

RFIC, MMIC, 실리콘

Description

모듈 패키지 및 모듈 패키징 방법{Module Package and Packaging Method for the Module}

도1a 및 도1b는 일반적인 고주파용 IC 칩의 사시도.

도2는 본 발명에 따른 패키지된 무선통신 모듈의 개념도.

도3a 내지 도3d는 도2와 같은 모듈 패키지의 실시예.

도4a 내지 도4f는 본 발명에 따른 제1실시예로, 제1 패키지의 제조공정도.

도5a 내지 도5c는 본 발명에 따른 제1 패키지의 제2, 3, 4실시단면도.

도6a 내지 도6e는 본 발명에 따른 제1 패키지의 제5 실시단면도.

도7a 내지 도7f는 본 발명에 따른 제1 패키지의 제6 실시단면도.

도8a 내지 도8c는 본 발명에 따른 제2 패키지의 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 50 : 실리콘 기판 20-1, 20-2, 20-3, 20-4 : 그라운드 금속

30 : 절연막 31 : 인터커넥션 라인

40 : 모듈 40-1 : RF IC 칩

60 : 무선통신 소자 70 : 전극패드

80 : 솔더 90 : 금속

100 : 제1 패키지 200 : 제2 패키지

본 발명은 저가의 웨이퍼 레벨의 모듈 패키지 및 모듈 패키징 방법에 관한 것으로, 가격이 저렴한 실리콘 재료와 마이크로머시닝 기술을 이용하여 새로운 타입이 저가격의 웨이퍼 레벨의 고주파용 모듈 패키지를 개발하고자 한다.

마이크로머시닝 기술은 일련의 반도체공정을 통하여 집적회로가 집적 마운팅된 수백개의 실리콘 패키지를 동시에 만들 수 있는 기술이며, 또한 공정이 종래의 기술과 비교하여 아주 간단하기 때문에 상업성 가치를 극대화시킬 수 있다. 고주파용 시스템이나 모듈의 가격의 대부분은 패키지 가격이 차지한다. 패키지 가격이 컴포넌트나 집적회로 가격의 적게는 수배에서 많게는 수십배에 달한다.

종래의 고주파용 패키지 기술에는 후막필름(thick film), 세라믹(ceramic), 플라스틱을 이용한 패키지와 이와 관련된 기술이 이용되고 있으며, 종래의 기술로 개발된 대부분의 고주파용 패키지는 분산된 여러 개의 개별 패키지를 어셈블리해서 하나의 패키지를 형성하기 때문에 패키지의 단가가 아주 높다.

플라스틱 패키지는 가격이 저가인 반면에 고주파대역에서는 적절하지 못하며 또한 열적 에이징(thermal aging) 문제점들이 야기되며, 알루미나는 세라믹 재료 중에서 가장 많이 쓰이는 재료인데 알루미나의 낮은 열전도성 때문에 고주파용 소자들, 모듈들, 혹은 시스템이 작동할 때 발생되는 열을 잘 전달시키지 못하는 문제점이 있다.

또한 고주파용 패키지 가격을 내리기 위하여 최근에 많이 연구되고 있는 기술중의 하나인 실리콘 패키지 기술은 여러 개의 패턴된 실리콘 기판을 어셈블리하여 접합하는 기술이기 때문에 대량생산이 어려울 뿐만 아니라 완전하게 저가화를 실현시키지 못하였다.

그리고 고주파용 무선송수신 모듈은 회로 밀도가 커지고 IC 칩은 더욱더 작아져 감에 따라서 패키지들 또한 이와 보조를 맞추어서 작아져야만 된다. 따라서 기존의 패키징 기술과 패키지들로는 이를 충족시키기가 어렵기 때문에 새로운 기술이 요구되어 진다.

본 발명에서는 실리콘이라는 저가 재료와 마이크로머시닝 기술을 이용하여 모듈을 하나의 웨이퍼 레벨에서 대략으로 일괄적으로 형성하고 모듈별로 한번에 패키지하여 이를 개별 패키지로 분리함으로써 저가격화 및 소형화를 만족시키는 웨이퍼 레벨의 모듈 패키지 및 그 패키징 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모듈 패키지의 특징은 그 상부에 다수개의 소자 및 칩으로 구성되는 모듈을 한번에 패키징하기 위한 제1 패키지; 상기 제1 패키지와 대향하는 위치에 제1 패키지와 함께 상기 모듈을 패키징하는 제2 패키지로 구성되는데 있다.

상기 제1 패키지는 기판과, 상기 소자들을 선택적으로 절연시키기 위해 상기 기판 상부에 형성된 절연막과, 상기 절연막 상부에 형성되어 상기 칩 및 소자들을 전기적으로 연결하는 전극 패드와, 상기 모듈과 전기적으로 연결되어 공통으로 접지되는 그라운드 금속을 포함하여 구성되며, 상기 소자들은 상기 전극패드에 의해 와이어링, 또는 플립칩본딩에 의해 연결되거나, 또는 직접적으로 연결되는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 제2 패키지는 기판과, 상기 모듈과 전기적으로 연결되어 공통으로 접지되는 그라운드 금속으로 구성되며, 필요에 따라 상기 모듈의 크로스 토크(cross-talk)를 방지하기 위해 상기 소자들 사이에 돌출부를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모듈 패키징 방법의 특징은 기판을 준비하여 다수의 제1 패키지를 일괄적으로 형성하는 단계; 상기 제1 패키지 위에 모듈을 형성하고 모듈 사이를 와이어링 혹은 플립칩 본딩하는 단계; 일괄적으로 다수의 제2 패키지가 형성된 기판을 상기 제1 패키지가 형성된 기판 위에 대향시켜 접합하는 단계; 상기 접합으로 인해 대향하는 제1 및 제2 패키지들을 절단하여 개별적으로 패키지된 모듈을 얻는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.

그리고 상기 제1 및 제2 패키지를 구성하는 기판은 실리콘으로 이루어진다.

실리콘은 세라믹 재료에 비해서 훨씬 저가의 재료이고 핸들링과 가공이 훨씬 용이하며 열적 기계적 특성이 좋고, 특히 세라믹 재료에 비하여 실리콘은 월등한 열적특성을 가지므로 IC칩과 패키지 사이에 아주 좋은 열전도도를 갖는다. 그리고 이용된 공정 기술이 집적회로 제조기술과 거의 비슷한 공정기술을 사용하기 때문에 새로운 저가의 패키지된 무선통신 시스템을 쉽게 구현할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 무선통신 모듈 패키지 및 그 제조 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도1a 및 도1b는 일반적인 고주파용 IC 칩의 사시도를 보여준다. 이러한 IC 칩은 VCO, LNA, PAM 등등이 될 수 있다. 도1a는 RFIC 혹은 MMIC칩의 앞면이고 도1b는 뒷면이다. 앞면에서는 회로가 형성된 후 그 회로를 전기적으로 패키지에 연결하기 위하여 패드가 형성된다. 그리고 뒷면에는 금속전극을 입혀 형성한 그라운드가 존재하여 패키지의 비아 인터커넥션(via interconnection)을 통하여 공통 그라운드와 연결된다.

도2는 본 발명에 따른 일괄적으로 패키지된 무선통신 모듈의 개념도로, 본 발명에서 제안하는 웨이퍼 레벨에서 패키징하는 기술을 이용하면 여러 개의 모듈로 구성된 무선통신 시스템을 하나의 패키지로 구현이 가능하다.

도2에 도시한 바와 같이, 그 상부에 다수개의 소자 및 칩으로 구성되는 모듈(40)을 한번에 패키징하기 위한 제1 패키지와, 상기 제1 패키지와 대향하는 위치에 제1 패키지와 함께 상기 모듈을 패키징하는 제2 패키지로 구성되는데 있다.

상기 제1 패키지는 실리콘 기판(10)과, 상기 소자들을 선택적으로 절연시키기 위해 상기 기판 상부에 형성된 절연막(30)과, 상기 절연막(30) 상부에 형성되어 상기 소자들을 와이어 본딩 또는 플립칩 본딩을 이용하여 전기적으로 연결하는 전극 패드(미도시)와, 상기 모듈 중 고주파용 IC 칩의 그라운드 금속과 전기적으로 연결되는 그라운드 금속(20-1)을 포함하여 공통으로 접지되는 그라운드 금속을 포함하여 구성된다.

또한 상기 무선통신 모듈(40)을 구성하는 소자들은 와이어 본딩 또는 플립칩 본딩에 의해 연결되거나 직접적으로 반도체 소자 공정에 의해 연결되기도 한다.

상기와 같은 무선통신 모듈 패키지는 실리콘 기판을 준비하여 다수의 제1 패키지를 일괄적으로 형성하고, 상기 각 제1 패키지 위에 무선통신 모듈을 형성하고 무선통신 모듈 사이를 와이어링 혹은 플립칩 본딩한다. 그리고 일괄적으로 다수의 제2 패키지가 형성된 실리콘 기판을 상기 제1 패키지가 형성된 실리콘 기판 위에 접합한 후, 상기 접합으로 인해 대향하는 제1 및 제2 패키지들을 절단함으로써 얻어진다.

도3a 내지 도3d는 도2와 같은 모듈 패키지의 실시예를 도시한 것이다.

RF 모듈은 RF 수동 소자(60)와 MMIC 혹은 RFIC칩 등의 고주파용 IC칩(40-1)의 조합으로 보통 구성된다.

도3a 내지 도3d에 보여지는 것처럼 본 발명에서 제안한 패키지는 그 상부에 다수개의 소자(60) 및 IC 칩(40-1)으로 구성되는 모듈을 한번에 패키징하기 위한 제1 패키지(100)와, 상기 제1 패키지(100)와 대향하는 위치에 제1 패키지(100)와 함께 상기 모듈을 패키징하는 제2 패키지(200)로 구성된다.

한 웨이퍼를 이용하여 수백개의 제1 패키지(100)를 동시에 형성하고 그 위에 수백 개의 IC칩(40-1)을 붙이고 와이어링 혹은 플립칩 본딩한다. 그리고 또 다른 웨이퍼를 이용하여 수백개의 제2 패키지(200)를 동시에 형성하고 제2 패키지(200) 을 제1 패키지(100) 위에 접합한 후 각각의 패키지들을 절단하면 수백개의 패키지된 RF 모듈들이 동시에 만들어진다.

제1 패키지(100)는 실리콘 기판(10)과, 실리콘 기판(10) 상부에 저손실을 갖고 형성되고 모듈을 구성하는 소자(60)들을 선택적으로 절연시키기 위한 절연막(30)과, 상기 절연막(30) 상부에 형성되어 상기 소자(60)들 사이를 전기적으로 연결하고, 상기 소자(60) 및 상기 IC칩(40-1)을 전기적으로 연결하기 위한 전극패드(70)와, 상기 모듈과 전기적으로 연결되어 공통으로 접지시키기 위한 그라운드 금속(20-1, 20-2, 20-3)을 포함하여 구성되며, 상기 소자(60), IC 칩(40)은 상기 전극패드(70)에 의해 와이어링, 또는 플립칩본딩에 의해 연결되거나, 또는 직접적으로 연결된다.

이때 RF 모듈을 형성하기 위하여 필요로 하는 소자(60), 예를 들어 수동소자들(전송 라인, 인덕터, 캐패시터, 저항 등)과, 또 다른 RF MEMS 소자는 반도체 공정을 통하여 형성된다.

그리고 상기 제2 패키지(200)는 기판(50)과, 상기 모듈과 전기적으로 연결되어 공통으로 접지되는 그라운드 금속(20-4)으로 구성되며, 필요에 따라 상기 모듈의 크로스 토크(cross-talk)로 인한 노이즈 방지를 위해 상기 IC칩(40-1)과 소자(60), 소자(60)들 사이에 돌출부를 갖는다.

도3a는 IC칩을 접합할 영역을 실리콘웨이퍼에 캐비티(cavity)를 형성하여 만들었고 도3b 및 도3c는 실리콘웨이퍼 위에 바로 형성하였으며, 도3d는 저손실을 갖는 절연막(30) 위에 형성하고 IC칩(40-1)의 그라운드는 제2 패키지(200)에 형성하 는 구조를 가진다. 제2 패키지(200)의 경우 소자와 소자, 칩과 소자 간에 크로스-토크(cross-talk)가 없는 경우에는 도3a 와 도3b와 같이 제2 패키지(200)를 형성하고 있는 경우는 도3c 와 도3d와 같이 굴곡을 갖도록 형성하여 모듈 사이의 크로스-토크를 막는 것이 바람직하다.

도4a 내지 도4f는 본 발명에 따른 제1실시예로, 패키지된 무선통신 모듈 중 제1 패키지의 제조공정도이다.

도4a에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(10)위에 그라운드 금속(20-1)을 증착하고, 도4b와 같이 백사이드의 실리콘 기판(10)은 식각하여 그라운드 비아홀을 형성한 후 비아홀을 채워 그라운드 금속(20-2)을 형성한다. 도4c와 같이 그라운드 금속(20-2) 위에 증착하여 완전한 그라운드 금속(20-3)을 형성하고, 도4d와 같이 앞면의 그라운드 금속(20-1) 위에 고주파에서 저손실을 갖는 BCB 혹은 다른 폴리머 절연막(30)을 두껍게 30-40㎛ 이상 증착한다. 이후 도4e와 같이 포토리소그래피와 건식식각법을 이용하여 비아홀과 칩을 붙일 영역을 형성한다. 칩을 붙일 캐비티 영역은 포토레지스트로 입혀서 전기도금이 되지않게 하고 비아홀만 전기도금을 이용하여 인터커넥션 라인(31)을 형성한다. 그리고 도4f와 같이 칩과 소자들을 전기적으로 연결하기 위한 전극패드(70)를 형성한 후 전극패드(70) 위에 칩과 소자들을 붙이기 위해 플립칩 본딩을 위한 솔더(80)들을 형성한다.

도5a 내지 도5c는 본 발명에 따른 제1 패키지의 제2, 3, 4실시단면도로, 도5a는 그라운드 비아가 채워지지 않고 비아 표면에 그라운드 금속이 형성되는 예이고, 도5b는 앞면 위에 형성되는 비아 인터커넥션이 홀을 채우는 것이 아니라 표 면에 금속(90)을 증착함으로써 인터커넥션을 형성하는 예이며, 도5c는 칩을 붙일 영역을 절연막(30) 위에 형성하는 예이다.

도6a 내지 도6e는 본 발명에 따른 제1 패키지의 제5 실시단면도로, 도6a와 같이 실리콘기판(10)을 식각하여 칩을 붙일 공간을 형성한 후에 그라운드 금속(20-1)을 증착한다. 그리고 도6b와 같이 백사이드 실리콘을 식각하여 그라운드 비아홀을 형성한 후 금속으로 채워 그라운드 금속(20-2)을 형성하고, 그라운드 금속(20-2) 위에 증착하여 완전한 그라운드 금속(20-3)을 형성한다. 이후 도6c와 같이 앞면의 그라운드 금속(20-1) 위에 저손실을 갖는 BCB 혹은 다른 폴리머 절연막(30)을 두껍게 30~40㎛ 이상 증착한 후 사진식각법과 건식식각법을 이용하여 비아홀과 칩을 붙일 영역을 형성하고, 칩을 붙일 캐비티 영역은 포토레지스트로 입혀서 전기도금이 되지않게 하고 비아홀만 전기도금을 이용하여 채워 인터커넥션 라인(31)을 형성하고, 칩과 소자들을 전기적으로 연결하기 위한 전극패드(70)를 형성한다. 그리고 도6e와 같이 전극패드(70) 위에 칩과 소자들을 붙이기 위해 플립칩 본딩을 위한 솔더(80)들을 형성한다.

도7a 내지 도7f는 본 발명에 따른 제1 패키지의 제6 실시단면도로, 인턱터, 캐패시터, 저항을 제1 패키지를 만들때에 동시에 집적화 시킨 예이다.

도7a와 같이 실리콘기판(10)을 식각하여 칩을 붙일 공간을 형성한 후에 그라운드 금속(20-1)을 증착한다. 그리고 도7b와 같이 백사이드 실리콘을 식각하여 그라운드 비아홀을 형성한 후 금속으로 채워 그라운드 금속(20-2)을 형성한다. 그리고 도7c와 같이 그라운드 금속(20-2) 위에 금속을 증착하여 완전한 그라운드(20-3) 를 형성한다. 이후 도7d와 같이 앞면의 그라운드 위에 저손실을 갖는 BCB 혹은 다른 폴리머 절연막(30)을 두껍게 30~40㎛ 이상 증착한 후 도7e와 같이 사진식각법과 건식식각법을 이용하여 비아홀과 칩을 붙일 영역을 형성한다. 그리고 칩을 붙일 캐비티 영역은 포토레지스트로 입혀서 전기도금이 되지않게 하고 비아홀만 전기도금을 이용하여 채워 인터커넥션 라인(31)을 형성한다.

도7f와 같이 그 위에 저항, 캐패시터, 인덕터 등의 소자들을 일련의 반도체 공정을 이용하여 형성하고 칩과 소자들을 전기적으로 연결하기 위한 전극패드(70)를 형성한다. 그리고 전극패드(70) 위에 칩과 소자들을 붙이기 위해 플립칩 본딩을 위한 솔더(80)들을 형성한다.

도8a 내지 도8c는 본 발명에 따른 제2 패키지의 단면도로, 도8a는 도3a 및 도3b에 도시된 바와 같은 RF 모듈 패키지용 제2 패키지이고, 도8b는 도3c에 도시된 바와 같은 RF 모듈 패키지용 제2 패키지이고, 도8c는 도3d에 도시된 바와 같은 RF 모듈 패키지용 제2 패키지를 도시한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 모듈 패키지 및 모듈 패키징 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

실리콘이라는 저가 재료와 종래의 반도체 공정과 유사한 마이크로머시닝 기술을 이용하여 모듈을 하나의 웨이퍼 레벨에서 대량으로 일괄적으로 형성하고 한번에 패키지하여 이를 개별 패키지로 분리함으로써 무선통신 모듈의 저가격화 및 소형화를 실현한다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (7)

1. 그 상부에 다수개의 소자 및 칩으로 구성되는 모듈을 한번에 패키징하기 위한 제1 패키지;

   상기 제1 패키지와 대향하는 위치에 제1 패키지와 함께 상기 모듈을 패키징하는 제2 패키지를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 모듈 패키지.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 패키지는

   기판;

   상기 소자들을 선택적으로 절연시키기 위해 상기 기판 상부에 형성된 절연막;

   상기 절연막 상부에 형성되어 상기 칩 및 소자들을 전기적으로 연결하는 전극 패드;

   상기 모듈과 전기적으로 연결되어 공통으로 접지되는 그라운드 금속을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 모듈 패키지.
3. 제2항에 있어서,

   상기 소자들은 상기 전극패드에 의해 와이어링, 또는 플립칩본딩에 의해 연결되거나, 또는 직접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 모듈 패키지.
4. 제1항에 있어서, 상기 제2 패키지는

   기판;

   상기 모듈과 전기적으로 연결되어 공통으로 접지되는 그라운드 금속을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 모듈 패키지.
5. 제3항에 있어서, 상기 제2 패키지는

   상기 모듈의 크로스 토크(cross-talk)를 방지하기 위해 상기 칩과 소자, 소자와 소자 사이에 돌출부를 갖는 것을 특징으로 하는 모듈 패키지.
6. 제2, 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 실리콘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모듈 패키지.
7. 기판을 준비하여 다수의 제1 패키지를 일괄적으로 형성하는 단계;

   상기 제1 패키지 위에 모듈을 형성하고 모듈 사이를 와이어링 혹은 플립칩 본딩하는 단계;

   일괄적으로 다수의 제2 패키지가 형성된 기판을 상기 제1 패키지가 형성된 기판 위에 대향시켜 접합하는 단계;

   상기 접합으로 인해 대향하는 제1 및 제2 패키지들을 절단하여 개별적으로 패키지된 모듈을 얻는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 모듈 패키징 방법.

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