KR101069488B1 - 인터포져 블럭이 내장된 반도체 패키지 - Google Patents

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Abstract

몰드 베이스와, 상기 몰드 베이스에 내장되며 내부에 복수의 수직 도전성 라인이 형성된 인터포져 블럭을 포함하는 패키지 기판이 제공된다. 인터포져 블럭 또는 몰드 베이스 표면에는 도전성 라인과 전기적으로 연결되는 배선층이 형성된다. 기판 표면의 일면 또는 양면에 반도체칩이 실장되며, 몰드 베이스에 반도체칩이 내장될 수 있다.

Description

인터포져 블럭이 내장된 반도체 패키지{SEMICONDUCTOR PACKAGE WITH INTERPOSER BLOCK THEREIN}
본 발명은 반도체 패키지에 관한 것으로, 상세하게는 패키지 기판에 인터포져 블럭이 내장된 반도체 패키지를 제안한다.
반도체 컴포넌트는, 각종 반도체 장치 및 집적 회로를 구비한 반도체 기판을 포함한다. 일반적으로, 반도체 기판은 반도체 웨이퍼로부터 분리된 반도체 다이의 형태를 갖는다. 예를 들어, 칩 스케일의 반도체 컴포넌트는, 지지부 및 보호부를 구비한 반도체 다이, 및 신호 송신 시스템을 포함한다. 또한, 반도체 컴포넌트들은 적층 배열 또는 평면 배열 형태의 다수의 반도체 기판을 포함할 수 있다.
한편, 소비자들은 차세대 전자 장치가 이전 보다 더 작은 크기로 패키징되고, 더 적은 전력을 소모하며 더 적은 비용의 향상된 기능들 및 특징들을 요구하고 있다. 이러한 요구에 대하여 반도체 장치 제조업체는 하나의 반도체 장치로서 동작하도록 집적된, 하나 이상의 다이들 및/또는 패키지들의 수직 적층 구조를 제공하는 SiP(systems in package), MCP(Multi-Chip Package), PoP(Package-on-Package), 및 기타 유사 구조의 개선된 3차원 패키징 기술들을 통합하여 대응하고 있다.
그러나, 고기능성 패키지는 다수의 반도체 소자를 내장하기 위하여 패키지 기판을 필요로 하며, 각 소자간의 전기적 연결을 위한 복잡한 배선 구조가 요구된다.
특히, 수직 적층 구조의 3차원 패키지는 수직 상호 배선 형성과 반도체 소자의 실장을 동시에 만족하기 위하여 새로운 구조의 설계가 요구되고 있다. 기존의 인쇄회로기판(Printed Circuit Board) 수직 관통 도전 비어의 크기 및 미세 피치 구현의 어려움이 있어 패키지의 경박단소화에 효과적이지 않다.
한편, 실리콘 웨이퍼에 관통 비어를 형성한 패키지 기판은 패키지 구조를 다변화하거나 패키지 사이즈를 줄이는데 한계가 있다.
본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 3차원 패키지를 위한 새로운 반도체 기판을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 경박단소한 새로운 반도체 패키지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 동작 특성이 개선되고 제조가 용이한 반도체 패키지를 제공하는 것이다.
기타, 본 발명의 또 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 제시될 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 몰드 베이스와, 상기 몰드 베이스에 내장되며 내부에 복수의 수직 도전성 라인이 형성된 인터포져 블럭, 상기 인터포져 블럭 또는 몰드 베이스 표면에 형성되며, 상기 도전성 라인과 전기적으로 연결되는 배선층, 그리고 상기 배선층과 전기적으로 연결되며, 상기 몰드 베이스 표면에 실장되는 반도체칩을 포함하며, 상기 인터포져 블럭과 몰드 베이스는 상면 및 하면이 동일한 평면을 이루는 것을 특징으로 하는 반도체 패키지를 제공한다.
또한, 본 발명은 몰드 베이스와, 상기 몰드 베이스에 내장되며 내부에 복수의 수직 도전성 라인이 형성된 인터포져 블럭, 상기 인터포져 블럭 또는 몰드 베이스 표면에 형성되며, 상기 도전성 라인과 전기적으로 연결되는 배선층, 상기 배선층과 전기적으로 연결되며, 상기 몰드 베이스에 내장되는 반도체칩, 그리고 상기 도전성 라인과 전기적으로 연결되는 범프를 포함하는 반도체 패키지를 제공한다.
본 발명은 또한, 고분자 수지 베이스와, 상기 수지 베이스에 내장되며 내부에 복수의 수직 도전성 라인이 형성된 실리콘 블럭, 상기 실리콘 블럭 또는 수지 베이스 표면에 형성되며, 상기 도전성 라인과 전기적으로 연결되는 배선층을 포함하는 반도체 패키지 기판을 제공한다.
또한, 본 발명은 복수의 수직 도전성 라인이 형성된 인터포져 블럭을 다음의 서브 단계에 따라 준비하고, a) 반도체 웨이퍼에 복수의 수직 홀을 형성하는 단계, b) 상기 수직 홀에 도전성 물질을 충진하는 단계, c) 상기 웨이퍼를 개별 블럭 단위로 절단하는 단계, 상기 인터포져 블럭을 캐리어 기판에 배치하고, 상기 캐리어 기판에 몰드층을 형성하고, 상기 캐리어 기판을 제거하는 단계를 포함하는 반도체 기판 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 반도체 패키지의 설계 자유도가 향상된다. 또한, 패키지 기판의 두께를 최소화하고 배선 길이를 줄여 반도체 패키지의 동작 특성을 개선할 수 있다. 수직 상호 배선의 밀도를 크게 하고 미세 피치의 배선을 구현함으로써 고속 동작에 유리하며, 패키지 사이즈를 줄임으로써 각종 휴대용 전자기기의 슬림화에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 패키지 기판의 평면도.
도 2는 본 발명에 따른 패키지 기판의 단도.
도 3 내지 도 12는 본 발명에 따른 패키지 기판의 공정도.
도 13은 본 발명에 따른 반도체 패키지의 일실시예를 보인 단면도.
도 14는 본 발명에 따른 반도체 패키지의 다른 실시예를 보인 단면도.
도 15는 본 발명에 따른 반도체 패키지의 또 다른 실시예를 보인 평면도.
도 16은 도 15의 패키지의 단면도.
도 17은 적층형 패키지를 보인 단면도.
도 18은 본 발명에 따른 반도체 패키지의 일실시예를 보인 단면도.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
100:웨이퍼 ` 104:도전성 라인
105a,105b,108a,108b:배선층
110:인터포져 블럭 130:몰드 베이스
150:패키지 기판 200:반도체칩
300:범프
본 발명은 3차원 패키지를 구현할 수 있는 새로운 반도체 패키지 기판을 제안한다.
다양한 반도체 소자를 기판의 일면 또는 양면에 실장할 수 있을 뿐만 아니라, 내부에 내장(embedded)시킴으로써 반도체 패키지의 구조를 다변화할 수 있고, 패키지 사이즈를 크게 줄일 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 반도체 패키지 기판(150)을 도시하고 있다. 몰드 베이스(130) 내부에 인터포져 블럭(110)이 내장되어 있다. 몰드 베이스는 소정의 기하학적 형상을 가질 수 있고, 인터포져 블럭도 필요한 형태로 형성될 수 있다. 또한, 인터포져 블럭은 복수의 서브 블럭을 포함할 수 있고, 이 경우 서브 블럭은 상호 이격적으로 배치되어 몰드 베이스에 내장될 수 있다.
몰드 베이스에 내장된 인터포져 블럭은 내부에 복수의 수직 도전성 라인(104)이 형성되어 있다. 이 도전성 라인은 예를 들어 인터포져 블럭에 복수의 관통홀을 형성하고 홀 내부에 도전성 물질을 충진하여 형성할 수 있다. 도전성 라인의 홀 직경 및 홀 간격은 필요에 따라 달라질 수 있으며, 홀 사이즈 및 간격을 최소화하여 미세 피치의 상호 배선을 구현할 수 있을 것이다.
상기 인터포져 블럭 또는 몰드 베이스 표면에 상기 도전성 라인과 전기적으로 연결되는 배선층이나 층간 절연막을 더 형성할 수 있다.
상기 인터포져 블럭과 몰드 베이스는 상면 및 하면이 동일한 평면을 이루며, 인터포져 블럭과 몰드 베이스가 하나의 초박형 기판 또는 층간연결 소자를 제공하여 경박단소한 반도체 패키지를 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 패키지 기판은 몰드 베이스 표면에 실장되며 상기 도전상 라인 또는 배선층과 전기적으로 연결되는 반도체칩을 포함할 수 있으며, 이에 관해서는 후술한다.
상기 몰드 베이스는 예를 들어 고분자 계열의 수지로 형성될 수 있으며, 인터포져 블럭은 반도체 물질(예를 들어 실리콘)로 형성하는 것이 바람직하다. 몰드 베이스와 인터포져 블럭을 별도로 형성하여 하나의 기판으로 조합함으로써 반도체 패키지에 다양한 설계 자유도를 부여할 수 있다. 또한, PCB를 대체하는 기판으로서 수직 도전층(도전성 라인)의 사이즈를 최적화할 수 있고, 기판 재질(고분자 수지 몰드)과 기판에 실장되는 반도체칩 재질(실리콘) 간의 열팽창 계수 차이에 따른 공정상의 문제를 해소할 수 있다.
도 3 내지 도 12를 참조하여, 본 발명에 따른 패키지 기판의 제조 방법을 설명한다.
본 발명의 패키지 기판은 베이스에 해당하는 몰드와 수직 상호 배선을 담당하는 인터포져 블럭을 포함한다. 인터포져 블럭은 필요한 디자인에 따라 웨이퍼레벨에서 별도로 제조될 수 있다. 도 3을 참조하면, 웨이퍼(100)에 복수의 홀(102)이 형성된다. 상기 홀은 예를 들어 건식 식각 또는 습식 식각 등의 잘 알려진 기술을 이용하여 형성할 수 있다. 홀에는 도전성 물질을 도금 등의 방법으로 충진하여 도전성 라인(104)을 완성한다(도 4).
복수의 도전성 라인은 절단 라인(105)을 기준으로 복수의 단위 영역으로 구분될 수 있다. 예를 들어, 도 5을 참조하면, 웨이퍼(100)에 절단 라인(105)으로 구획된 영역(A)이 하나의 단위 영역, 즉 하나의 인터포져 블럭에 해당한다. 웨이퍼에 형성되는 복수의 블럭들은 각각 크기나 형태가 다를 수 있고 내부에 형성되는 홀의 수나 배치 형태가 다를 수 있다. 이와 같이 하나의 웨이퍼 내에 다양한 형태의 인터포져 블럭을 한번의 공정으로 형성하여 공정 효율을 상승시킬 수 있다. 또한, 웨이퍼 레벨에서 후속적인 테스트를 통해 양품(good block)만을 선별함으로써 최종적인 패키지 기판의 불량률을 줄일 수 있다.
도전성 라인이 완성된 후 웨이퍼의 후면을 연마하여 도전성 라인의 하부를 외부에 노출시킨다(도 6). 이 과정에서 웨이퍼 자체를 더 연마하여 전체적인 두께를 최소화할 수 있다. 연마 후 웨이퍼를 개별 블럭 단위로 절단한다(도 7).
완성된 인터포져 블럭(110)은 별도의 웨이퍼 또는 캐리어 기판(140) 위에 적절한 형태로 배치하여 부착한다(도 8). 인터포져 블럭의 배치 형태, 또는 블럭의 수는 원하는 패키지의 설계 디자인에 따라 달라질 수 있다. 복수의 블럭을 상호 이격되도록 배치할 수 있다. 이격된 블럭 사이의 공간(X)에는 반도체칩이나 기타 전자 소자 등이 추가로 배치될 수 있다. 상기 공간(X)에 배치되는 반도체칩은 후술하는 바와 같이 몰드에 내장된 부품에 해당된다.
인터포져 블럭의 배치 후 캐리어 기판 위에 몰드층(130)을 형성한다(도 9). 이 몰드층의 상면을 추가적으로 연마하여 인터포져 블럭의 상면과 동일한 높이가 되도록 한다. 결과적으로, 몰드층(몰드 베이스) 내에 인터포져 블럭이 내장된 형태의 기판 구조가 형성된다.
몰드 베이스와 인터포져 블럭 상면에는 절연막(105a)을 형성하고, 도전성 라인과 전기적으로 연결되는 전도성 패드 또는 배선층(106a)을 형성한다(도 10). 이 배선층은 도전성 라인으로부터 떨어진 위치에 있는 소자와 전기적 연결을 가능하게 한다. 캐리어 기판을 제거한 후, 몰드 베이스와 인터포져 블럭 하면에도 동일하게 절연막(105b)과 배선층(106b)을 형성한다(도 11). 캐리어 기판 제거 후 몰드 베이스와 인터포져 블럭 하면을 동시에 연마하여 전체적인 두께를 감소시킬 수 있다.
최종적으로 몰드 베이스를 개별 영역 단위로 절단하여 본 발명에 따른 반도체 기판(150)을 완성한다(도 12). 완성된 기판은 몰드와 도전성 라인을 포함하는 블럭이 혼합된 초박형 기판으로서, 다양한 패키지 구조에 기판 또는 층간연결소자로 이용될 수 있다. 기판의 수직 상호 배선(도전성 라인)을 별도의 인터포져 블럭에 형성함으로써 상호 배선의 밀도를 크게 하고 크기를 미세화할 수 있다. 그 결과, 최종적인 반도체 패키지의 동작 특성을 향상시킴과 더불어, 경박단소한 반도체 패키지를 구현할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 패키지를 보인 것으로, 패키지 기판(150)의 상면에 반도체칩(200a, 200b)이 실장되어 있다. 기판 내부에는 몰드 베이스(130)에 복수의 인터포져 블럭(110)이 상호 이격되어 배치되어 있다. 기판의 상면과 하면에는 각각 절연층(105a, 105b)과 배선층(108a, 108b)이 형성되어 있다. 절연층은 복수의 층을 포함할 수 있으며, 배선층은 절연층 내에서 도전성 라인(104)과 전기적으로 연결되는 한편, 다른 위치로 전기적 배선을 변경시켜 반도체칩과 도전성 라인의 전기적 연결을 매개한다. 따라서, 반도체칩(200a, 200b)은 배선층(108a)을 통해 인터포져 블럭의 도전성 라인(104)과 전기적으로 연결된다. 기판 하부에는 외부 연결 단자인 범프(300)가 형성되어 도전성 라인과 전기적으로 연결된다. 기판 하면에 형성된 배선층(108b)이 범프와 도전성 라인의 전기적 연결을 매개할 수 있다.
본 발명의 반도체 패키지에서 인터포져 블럭의 배치 위치와 반도체칩의 배치 위치는 고정될 필요가 없으며, 배선층의 패턴을 달리함으로써 반도체칩은 기판 상면의 어느 위치에서도 도전성 라인과 연결될 수 있다. 또한, 기판에 실장되는 반도체칩의 크기나 수는 특별히 제한되지 않으며, 다양한 소자가 기판에 실장되어 고기능성 반도체 모듈을 구현할 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 패키지를 보인 것으로, 앞선 실시예와 동일하게 패키지 기판(150)의 상면에 반도체칩(200a, 200b)이 실장되어 있다. 또한, 기판 하면에도 반도체칩(200c)이 실장되어 있다. 기판 상면 및 하면의 반도체칩들은 각각 배선층(108a)을 통해 인터포져 블럭의 도전성 라인(104)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같이, 기판의 양면에 복수의 반도체칩을 실장함으로써 시스템 인 패키지나 적층형 패키지, 기타 새로운 형태의 기능성 패키지를 구현할 수 있다. 특히, 기판 상하면에 실장된 반도체칩의 신호 처리가 수직 상호 배선인 도전성 라인(104)을 통해 이루어지므로 동작 특성이 크게 개선된다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 반도체 패키지를 보인 것으로, 패키지 기판의 몰드 베이스(130)에 복수의 인터포져 블럭(110)이 상호 이격되어 배치되어 있다. 또한, 몰드 베이스에 반도체칩(200)이 인터포져 블럭과 유사하게 내장되어 있다(도 16 참조). 반도체칩은 몰드 베이스 중앙에 배치되어 있고, 인터포져 블럭은 반도체칩 측방향으로 주변에 배치되어 있다. 인터포져 블럭은 반도체칩을 포위하면서 반도체칩의 전극 단자(202)와 도전성 라인(104)이 (전술한 실시예에서 보인) 배선층에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다.
이와 같이, 인터포져 블럭을 통해 몰드 베이스에 내장된 반도체칩의 배선이 외곽으로 확대되어 배치됨으로써, 팬아웃(fan-out) 타입의 패키지를 구현할 수 있다. 특히, 별도의 기판 없이 인터포져 블럭과 반도체칩 및 몰드 베이스가 하나의 패키지 구조물(400)을 형성하므로 패키지의 사이즈를 줄이는데 매우 효과적이며, 반도체칩의 전기적 배선 길이를 짧게 함으로써 신호 전달 속도를 증가시켜 고속 동작 부품을 구현할 수 있다.
또한, 반도체칩이 내장된 패키지는 수직적으로 적층하기에도 매우 용이하다. 도 17을 참조하면, 반도체칩(400a, 400b, 400c, 400d)이 수직적으로 적층되고, 범프(300)에 의하여 상호 연결되어 있다. 이와 같은 적층 구조체는 다기능 소자나 시스템 IC 등의 고품질 패키지를 구현하는데 효과적이다.
예를 들어, 도 18을 참조하면, 반도체칩(200)이 내장된 패키지에 복수의 또 다른 반도체칩(200a, 200b)이 실장되어 있는 것을 볼 수 있다. 내장된 반도체칩(200)과 실장된 반도체칩(200a, 200b)은 배선층(108a)을 통해 인터포져 블럭의 도전성 라인과 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 패키지는 여러 개의 반도체칩을 하나의 패키지 내에 구비하면서도 별도의 패키지 기판을 필요로 하지 않기 때문에 스마트폰이나 모바일 디스플레이 등의 휴대용 전자기기에 필요한 3차원 시스템인패키지 구현에 매우 적합하다.
이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 몰드 베이스와,
    상기 몰드 베이스에 내장되며 내부에 복수의 수직 도전성 라인이 형성된 인터포져 블럭,
    상기 인터포져 블럭 또는 몰드 베이스 표면에 형성되며, 상기 도전성 라인과 전기적으로 연결되는 배선층, 그리고
    상기 배선층과 전기적으로 연결되며, 상기 몰드 베이스 표면에 실장되는 반도체칩을 포함하며,
    상기 인터포져 블럭과 몰드 베이스는 상면 및 하면이 동일한 평면을 이루는 것을 특징으로 하는
    반도체 패키지.
  2. 제1항에 있어서, 상기 몰드 베이스에는 상호 이격적으로 배치되는 제1 인터포져 블럭과 제2 인터포져 블럭이 내장되며, 상기 반도체칩은 제1인터포져 블럭 또는 제2인터포져 블럭과 전기적으로 연결되는 반도체 패키지.
  3. 제1항에 있어서, 상기 몰드 베이스의 상면과 하면에 각각 제1반도체칩과 제2반도체칩이 실장되는 반도체 패키지.
  4. 제1항에 있어서, 상기 도전성 라인과 전기적으로 연결되는 범프를 더 포함하는 반도체 패키지.
  5. 몰드 베이스와,
    상기 몰드 베이스에 내장되며 내부에 복수의 수직 도전성 라인이 형성된 인터포져 블럭,
    상기 인터포져 블럭 또는 몰드 베이스 표면에 형성되며, 상기 도전성 라인과 전기적으로 연결되는 배선층,
    상기 배선층과 전기적으로 연결되며, 상기 몰드 베이스에 내장되는 반도체칩, 그리고
    상기 도전성 라인과 전기적으로 연결되는 범프를 포함하는
    반도체 패키지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 반도체 칩은 몰드 베이스 중앙에 내장되고 상기 인터포져 블럭은 반도체칩 측방향 주변으로 배치되는 복수의 서브 블럭을 포함하는 반도체 패키지.
  7. 제5항에 있어서, 상기 몰드 베이스 상면 또는 하면에 실장되며 상기 인터포져 블럭과 전기적으로 연결되는 또 다른 반도체칩을 포함하는 반도체 패키지.
  8. 고분자 수지 몰드 베이스와,
    상기 몰드 베이스에 내장되며 내부에 복수의 수직 도전성 라인이 형성된 실리콘 재질의 인터포져 블럭,
    상기 인터포져 블럭 또는 몰드 베이스 표면에 형성되며, 상기 도전성 라인과 전기적으로 연결되는 배선층을 포함하는
    반도체 패키지 기판.
  9. 제8항에 있어서, 상기 인터포져 블럭은 몰드 베이스 내부에 상호 이격적으로 배치된 복수의 서브 블럭을 포함하는 반도체 패키지 기판.
  10. 제9항에 있어서, 상기 서브 블럭은 사이즈가 서로 다르거나 내부에 형성된 도전성 라인의 수가 다른 것을 특징으로 하는 반도체 패키지 기판.
  11. 복수의 수직 도전성 라인이 형성된 인터포져 블럭을 다음의 서브 단계에 따라 준비하고,
    a) 반도체 웨이퍼에 복수의 수직 홀을 형성하는 단계,
    b) 상기 수직 홀에 도전성 물질을 충진하는 단계,
    c) 상기 웨이퍼를 개별 블럭 단위로 절단하는 단계,
    상기 인터포져 블럭을 캐리어 기판에 배치하고,
    상기 캐리어 기판에 몰드층을 형성하고,
    상기 캐리어 기판을 제거하는 단계를 포함하는
    반도체 기판 제조 방법.
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