KR20010004617A - 볼 그리드 어레이 패키지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼 그리드 어레이 패키지를 개시한다. 개시된 본 발명은, 반도체 칩에 신호 전달 매개체가 접착되고, 신호 전달 매개체는 반도체 칩의 본딩 패드에 전기적으로 연결된다. 신호 전달 매개체의 볼 랜드만이 노출되도록 전체 결과물이 봉지제로 몰딩된다. 볼 랜드에 금속심이 형성된다. 볼 랜드에 솔더 볼이 마운트되어, 솔더 볼은 금속심과 화학적 반응을 일으키면서 금속심에 의해 견고히 지지된다. 금속심의 재질은 솔더 볼과의 습윤성이 우수한 구리나 금 또는 은인 것이 바람직하고, 그의 형상은 원기둥이나 실린더 또는 코일 형상인 것이 바람직하다. 금속심의 형상이 원기둥일 경우에, 그의 상단은 솔더 볼이 용이하게 놓여지도록 접시 형태를 이루는 것이 더욱 바람직하다.

Description

볼 그리드 어레이 패키지{ball grid array package}

본 발명은 볼 그리드 어레이 패키지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기판에 실장되는 외부 접속 단자로서 솔더 볼을 갖는 볼 그리드 어레이 패키지에 관한 것이다.

패키지의 한 예로서, 가장 범용으로 사용되고 있는 에스오제이(SOJ:Small Outline J-lead) 타입이 있고, 특수한 경우에 사용하는 지프(ZIP: Zigzag Inline Package) 타입이 있으며, 또 규격화되고 있는 메모리 카드(memory card)에 적합하도록 구성된 티에스오피(TSOP: Thin Small Outline Package) 타입 등이 있다.

이러한 패키지 제조 방법을 개략적으로 설명하면 다음과 같다. 먼저, 웨이퍼를 스크라이빙 라인을 따라 절단하는 소잉(sawing) 공정을 진행하여 개개의 반도체 칩으로 분리한 다음, 리드 프레임의 인너 리드를 각 반도체 칩에 부착하는 다이 어태치 공정을 진행한다. 이후 일정 온도에서 일정시간 동안 큐어링(curing)을 실시한 후, 반도체 칩의 패드와 리드 프레임의 인너 리드를 금속 와이어로 상호 연결시켜 전기적으로 연결시키는 와이어 본딩 공정을 수행한다. 와이어 본딩이 끝나면, 봉지제를 사용하여 반도체 칩을 몰딩하는 몰딩 공정을 수행한다. 이와 같이 반도체 칩을 몰딩해야만, 외부의 열적, 기계적 충격으로 부터 반도체 칩을 보호할 수가 있는 것이다.

상기와 같은 몰딩 공정이 완료된 후에는 아우터 리드을 도금하는 플래팅 공정, 아우터 리드를 지지하고 있는 댐바를 절단하는 트림 공정, 및 기판에 실장이 용이하도록 아우터 리드를 소정 형태로 절곡 형성하는 포밍 공정을 실시한다.

이러한 공정으로 제작되는 일반적인 패키지에 대해, 패키지의 경박화를 위해 제시된 볼 그리드 어레이 패키지는 기판에 실장되는 외부 접속 단자로서 솔더 볼을 갖는다. 이러한 볼 그리드 어레이 패키지는 다음과 같은 2가지 유형이 대표적이다.

첫 번째 유형에서는 패턴 테이프가 사용된다. 반도체 칩의 본딩 패드에 전도성 범프가 형성되어 있고, 구리 재질의 금속 패턴이 형성된 패턴 테이프가 전도성 범프에 열압착에 의해 부착되어 전기적으로 연결된다. 전체가 봉지제로 몰딩되고, 패턴 테이프의 밑면에 형성된 볼 랜드에 솔더 볼이 부착된 구조로 이루어져 있다.

두 번째 유형에서는 패턴 테이프 대신에 리드 프레임이 사용된다. 리드 프레임이 반도체 칩에 접착되어 금속 와이어에 의해 본딩 패드에 전기적으로 연결된다. 리드 프레임의 밑면이 부분 식각되어 돌출부가 형성된다. 이 돌출부가 볼 랜드로서, 볼 랜드만이 봉지제로부터 노출되고, 솔더 볼이 볼 랜드에 마운트된다.

이와 같이, 볼 그리드 어레이 패키지는 외부 접속 단자로서 솔더 볼이 사용되고 있다. 그런데, 패키지 크기가 점차 경박단소화되어 감에 따라 솔더 볼의 직경이 0.76㎜에서 0.5㎜ 이하로 줄어들고 있는 추세이다. 이러한 작은 크기의 솔더 볼이 이용되는 볼 그리드 어레이 패키지가 안고 있는 가장 큰 문제점은 기판의 종류에 따라 정도 차이는 있지만, 대체로 솔더 볼의 접합 강도가 매우 취약하다는 것이다. 이를 보완하기 위해, 종래에는 다음과 같은 3가지 방법이 사용되었다.

첫 번째로 응력 완충재를 사용하는 방법이다. 열팽창계수 차이가 큰 패키지와 기판간에 위치하는 솔더 볼은 열적 응력 차이에 의해 접속 부위가 파단되는 경우가 많다. 열적 응력을 완화시키기 위해서, 세라믹과 같이 응력 완충 기능을 갖는 응력 완충재를 솔더 볼과 기판 사이에 개재시켰다. 그러나, 응력 완충재를 사용하는 방법은, 응력 완충재를 형성하기 위한 공정이 추가되고 응력 완충재의 가격이 매우 고가인 관계로, 패키지 제조 비용이 상승되는 문제가 있다.

두 번째로 희생 솔더 볼을 사용하는 방법이다. 한 패키지에는 대략 100개 정도의 솔더 볼이 사용되는데, 외곽에 배치된 솔더 볼에 열팽창계수 차이로 인해 전단 응력이 더욱 심하게 인가된다. 즉, 각 솔더 볼에 발생되는 크랙은 최외곽으로부터 중앙을 향해 진행된다. 이를 방지하기 위해, 최외곽에 희생 솔더 볼을 형성하였다. 그러나, 희생 솔더 볼은 시그널용 솔더 볼보다 크기가 크기 때문에, 솔더 볼 형성 공정이 2회로 늘어난다는 단점이 있고, 또한 희생 솔더 볼 마운트를 위한 볼 랜드를 패키지 밑면에 시그널용 볼 랜드와는 다른 형상으로 형성해야만 하는 문제도 있다.

세 번째는 언더필링(underfilling) 방법인데, 반도체 칩의 밑면에 배열된 솔더 볼을 기판에 실장한 후, 기판과 반도체 칩 사이 전체를 에폭시 성분의 절연 물질로 언더필링한다. 그러나, 이러한 방법은 반도체 칩이나 기판에 불량이 발생될 경우, 기판으로부터 반도체 칩을 분리하는 것이 불가능하기 때문에, 모듈 전체를 폐기처분해야만 하는 문제점이 있다. 또한, 절연 물질을 언더필링한 후, 절연 물질이 경화되기까지 수 시간이 소요되어 생산성이 저하된다는 또 다른 문제점이 있다.

본 발명은 상기된 종래의 3가지 방법들이 안고 있는 제반 문제점을 해소하여 솔더 볼의 접합 강도가 강화되는 볼 그리드 어레이 패키지를 제공하는데 목적이 있다.

도 1 내지 도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 볼 그리드 어레이 패키지에서, 솔더 볼 형성 과정을 순차적으로 나타낸 도면.

도 8 내지 도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 볼 그리드 어레이 패키지에서, 솔더 볼 형성 과정을 순차적으로 나타낸 도면.

도 12 내지 도 15는 본 발명의 실시예 2에 따른 볼 그리드 어레이 패키지에서, 솔더 볼 형성 과정을 순차적으로 나타낸 도면.

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

10 ; 봉지제 20 ; 볼 랜드

30 ; 원기둥형 금속심 31 ; 접시부

32 ; 실린더형 금속심 33 ; 코일형 금속심

40 ; 솔더 볼 50 ; 기판

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 볼 그리드 어레이 패키지는 다음과 같은 구성으로 이루어진다.

반도체 칩에 신호 전달 매개체가 접착되고, 신호 전달 매개체는 반도체 칩의 본딩 패드에 전기적으로 연결된다. 신호 전달 매개체의 볼 랜드만이 노출되도록 전체 결과물이 봉지제로 몰딩된다. 볼 랜드에 금속심이 형성된다. 볼 랜드에 솔더 볼이 마운트되어, 솔더 볼은 금속심과 화학적 반응을 일으키면서 금속심에 의해 견고히 지지된다.

금속심의 재질은 솔더 볼과의 습윤성이 우수한 구리나 금 또는 은인 것이 바람직하고, 그의 형상은 원기둥이나 실린더 또는 코일 형상인 것이 바람직하다. 금속심의 형상이 원기둥일 경우에, 그의 상단은 솔더 볼이 용이하게 놓여지도록 접시 형태를 이루는 것이 더욱 바람직하다.

상기된 본 발명의 구성에 의하면, 솔더 볼이 볼 랜드에 형성된 금속심과 화학적 반응을 일으키면서 금속심에 견고히 연결되므로써, 솔더 볼의 접합 강도가 대폭 강화된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 설명한다.

[실시예 1]

도 1 내지 도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 볼 그리드 어레이 패키지에서, 솔더 볼 형성 과정을 순차적으로 나타낸 도면이다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 볼 그리드 어레이 패키지는 반도체 칩(미도시)과 신호 전달 매개체(미도시)가 봉지제(10)로 몰딩되면, 오직 신호 전달 매개체의 볼 랜드(20)만이 봉지제(10)로부터 노출된다. 종전에는, 이러한 볼 랜드(20)에 직접 솔더 볼이 마운트되었으나, 본 발명에 따르면 그 전에 선행되는 공정이 있다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 금속심(30)이 볼 랜드(20)상에 형성된다. 본 실시예 1에서는 금속심(30)의 형상이 원기둥으로 제시되었다. 한편, 도 3과 같이, 원기둥 형상의 금속심(30) 상단은 접시 형상(31)을 이루게 된다. 접시부(31)는 금속심(30)의 상단을 볼록한 다이로 찍으면 간단하게 형성될 수가 있다.

이어서, 도 4와 같이 솔더 페이스트(40)를 볼 랜드(20)상에 도포한 후 리플로우 공정을 실시하면, 도 5와 같이 내부에 금속심(30)이 위치하는 솔더 볼(40)이 형성된다.

여기서, 금속심(30)이 솔더 볼(40)을 지지하기 위한 기능을 발휘하기 위해 갖추어야 할 조건이 있다. 우선, 솔더 볼(40)의 솔더 성분, 즉 주석 성분과의 습윤성이 우수해야 한다는 것이다. 또한, 솔더 볼(40)을 지지해야 하므로, 솔더 볼(40)보다는 경도가 높아야 한다. 그리고, 솔더 볼(40) 전체가 금속심(30)을 둘러싸도록 하기 위해서, 금속심(30)의 습윤력이 솔더 볼(40)의 표면 장력보다 커야 한다는 것이다.

마지막 조건에 대해 부연하면, 리플로우 공정시 솔더 볼(40)의 표면 장력에 의해 금속심(30)의 상단에 구형의 솔더 볼(40)이 형성되면, 금속심(30)의 측부에 위치한 솔더 볼(40)과 구형의 솔더 볼(40)이 떨어지게 되어, 솔더 볼(40) 전체가 금속심(30)을 둘러싸지 못하게 된다. 이러한 현상을 방지하기 위해, 금속심(30)의 습윤력이 솔더 볼(40)의 표면 장력보다 커야 한다는 것이다.

이러한 조건을 갖춘 금속심(30)에 솔더 페이스트(40)를 도포한 후 리플로우 공정을 실시하게 되면, 액상과 고상이 혼합된 온도 영역에서 솔더 성분이 금속심(30)을 타고 내려오면서 금속심(30) 전체를 둘러싸는 솔더 볼(40)로 형성될 수가 있다. 특히, 액상과 고상이 혼합된 온도를 길게 유지하게 되면, 솔더 페이스트(40)가 금속심(30)을 타고 흘러내릴 수가 있다.

이러한 조건을 갖는 금속심(30)의 재질로는 금, 은 및 구리로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 또는 수 개로 이루어진 합금인 것이 바람직하다. 또는, 금속심(30)을 상기된 금속들중 어느 하나의 외표면에 금이나 은 또는 구리가 도금된 구조로 이루어질 수도 있다.

한편, 도 6은 금속심(30)으로 지지된 솔더 볼(40)이 기판(50)에 실장된 상태를 나타낸 것으로서, 도시된 바와 같이 중앙에 배치된 금속심(30)에 의해 견고히 지지된 솔더 볼(40)이 기판(50)에 실장되어 있다.

여기서, 금속심(30)과 솔더 볼(40)간에 계면이 존재한다면, 솔더 볼(40)을 지지하는 금속심(30)의 효과가 저하될 수밖에 없다. 따라서, 금속심(30)의 조건으로 제시된 습윤성에 의해 이러한 효과 반감이 방지된다. 즉, 금속심(30)은 솔더 볼(40)의 솔더 성분과의 습윤성이 매우 우수하므로, 금속심(30)의 구리나 금 또는 은 성분이 솔더 볼(40)의 주석 성분과 반응하여, 도 7과 같이 그 계면에서 금속간 화합물(41)을 형성하게 된다. 금속간 화합물(41)을 매개로 금속심(30)과 솔더 볼(40)이 견고히 접합되므로, 솔더 볼(40)의 접합 강도가 더욱 강화된다.

도 7에 도시된 상태에서 내열성 테스트를 하게 되면, 솔더 볼(40)보다 항복 강도가 높은 금속심(30)이 응력을 대부분 받게 되므로, 솔더 볼(40)에 크랙이 발생되는 사태가 억제된다.

[실시예 2]

도 8 내지 도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 볼 그리드 어레이 패키지에서, 솔더 볼 형성 과정을 순차적으로 나타낸 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 금속심(32)의 형상이 단순 원기둥에서 실린더 형상으로 변경되었다. 따라서, 실린더형 금속심(32)의 상단에 도 9와 같이 솔더 볼(40)을 올려놓고 리플로우 공정을 실시하면, 도 10과 같이 실린더형 금속심(32) 내부로 솔더 볼(40)이 진입되어, 실린더 내부가 솔더 볼(40)로 매립된다. 도 11은 실린더형 금속심(32)으로 지지된 솔더 볼(40)이 기판(50)에 실장된 상태를 나타낸 도면이다.

[실시예 3]

도 12 내지 도 15는 본 발명의 실시예 3에 따른 볼 그리드 어레이 패키지에서, 솔더 볼 형성 과정을 순차적으로 나타낸 도면이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 금속심(33)이 본 실시예 3에서는 코일 형상이다. 도 13과 같이, 코일형 금속심(33)의 상단에 솔더 볼(40)을 올려놓고 리플로우 공정을 실시하면, 도 14와 같이 솔더 볼(40)이 코일형 금속심(33)을 타고 흘러내려오게 되어, 코일형 금속심(33) 전체를 둘러싸게 된다. 도 15는 코일형 금속심(33)에 의해 지지된 솔더 볼(40)이 기판(50)에 실장된 상태를 나타낸 도면이다.

한편, 실시예 2 및 실시예 3의 실린더형 금속심(32)과 코일형 금속심(33)은 실시예 1에서 제시된 조건을 갖추고 있음은 물론이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 볼 랜드에 금속심이 형성되고, 솔더 볼이 금속심과 화학적 반응을 일으키면서 형성된 금속간 화합물를 매개로 금속심에 의해 견고히 지지를 받게 되므로써, 솔더 볼의 접합 강도가 대폭 강화된다.

이상에서는 본 발명에 의한 볼 그리드 어레이 패키지를 실시하기 위한 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (5)

1. 반도체 칩;

   상기 반도체 칩에 접착되어 그의 본딩 패드와 전기적으로 연결되고, 볼 랜드를 갖는 신호 전달 매개체;

   상기 신호 전달 매개체의 볼 랜드만이 노출되도록, 전체 결과물을 몰딩하는 봉지제;

   상기 볼 랜드에 형성된 금속심; 및

   상기 볼 랜드에 마운트되어, 상기 금속심에 의해 견고히 지지된 솔더 볼을 포함하는 것을 특징으로 하는 볼 그리드 어레이 패키지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속심은 솔더 볼의 주석 성분과의 습윤성이 우수하고, 솔더 볼보다 경도가 높으며, 솔더 볼의 표면 장력보다 습윤력이 강한 재질이고, 이러한 재질의 금속으로는 금, 은 및 구리로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 또는 2개 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 볼 그리드 어레이 패키지.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 금속심의 형상은 원기둥이나 실린더 또는 코일 형상인 것을 특징으로 하는 볼 그리드 어레이 패키지.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 원기둥 형상의 금속심 상단은 접시 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 볼 그리드 어레이 패키지.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 금속심의 외표면에 금이나 은 또는 구리가 도금된 것을 특징으로 하는 볼 그리드 어레이 패키지.