KR20010009153A - 박형 시스템 대응 고방열 히트스프레다 부착 패키지구조 및 그의 제조 방법 - Google Patents

박형 시스템 대응 고방열 히트스프레다 부착 패키지구조 및 그의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

경박 단소한 시스템, 특히 메모리 모듈과 같은 마더보드의 소켓에 실장시 실장 공간의 한정된 공간으로 히트싱크의 형태와 크기에 한정된 제약을 갖는 소형 시스템 패키지의 열 특성을 향상시키기에 적당하도록 두 개 이상의 복수 패키지를 PCB에 실장후 반도체 칩에서 발생한 열을 전도성이 높은 액상 혹은 시트(sheet) 형태의 점착성 고전도성 재료를 반도체 칩뒷면에 매개 후, 박형의 히트스프레다에 열특성 효율을 높이기 위해 에어슬롯과 에어벤트를 시스템의 냉각을 위해 사용하는 에어플로어 방향과 대응하여 적절히 구성한 고방열 히트스프레다 부착 멀티칩 패키지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
방열 효과를 높이기 위해 Option으로 개별 패키지 레벨(unit package level)에서 고속 반도체 소자의 열 특성을 향상시키기에 적당하도록 유니트 히트싱크를 부착하여, 더불 히트싱크 멀티칩 패키지를 구성한다.

Description

박형 시스템 대응 고방열 히트스프레다 부착 패키지구조 및 그의 제조 방법{STRUCTURE AND METHOD OF PACKAGE WITH HIGH PERFORMANCE HEAT SPREADER FOR THIN SYSTEM}
본 발명은 박형 시스템 패키지의 히트싱크에 대한 것으로 특히 메모리 모듈과 같은 마더보드의 소켓에 실장시 실장 공간의 한정된 공간으로 히트싱크의 형태와 크기에 한정된 제약을 갖는 소형 시스템 패키지의 열 특성을 향상시키기에 적당하도록 두 개 이상의 복수 패키지를 PCB에 실장 후 반도체 칩에서 발생한 열을 전도성이 높은 액상 혹은 시트(sheet) 형태의 (4)점착성 고전도성 재료를 반도체 칩뒷면에 매개 후, (15)박형의 히트스프레다에 열특성 효율을 높이기 위해 (7)에어슬롯과 (6)에어벤트를 시스템의 냉각을 위해 사용중인 에어플로어 방향과 대응하여 적절히 구성한 고방열 히트스프레다 부착 멀티칩 패키지 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
방열 효과를 높이기 위해 Option으로 개별 패키지에 패키지 제작시 칩사이즈와 비슷한 고복사 열방출 특성을 갖는 개별 히트싱크를 고전도성 접착제를 매개하여 피크 앤 플레이스(pick and place) 공정으로 반도체 칩뒷면에 적층경화 개별패키지의 열특성을 시켜 더블 히트싱크 형태의 시스템 패키지를 구성 할 수도 있다
첨부 도면을 참조하여 박형 고방열 시스템 패키지 및 그의 제조 방법에 관하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래 고방열 박형 유니트패키지와 멀티칩 패키지(multichip package)를 나타낸 도면이다.
종래의 고방열 박형 패키지는 도 1에 도시한 바와 같이 베어다이(BARE DIE)를 이용한 직접 냉각 방식을 사용하거나 복수 개의 패키지를 PCB 위에 실장된 개개의 반도체 패키지 위에 플레이트(Plate) 형태의 분리형 히트스프레다를 반도체 칩의 뒷면에 (4)액상 혹은 시트(sheet)형태의 전도성 재료를 매개 후 볼트와 너트 등의 체결물을 이용하여 고정하는 구조로 되어 있다.
상기와 같이 종래의 방열 패키지에 있어서 반도체 칩의 구동에 따른 발생하는 열의 방열 경로를 설명하면 다음과 같다.
1a의 개별패키지에서는 주요한 열 방출 경로는 전도(Conduction)에 의한 반도체 칩에서 다이 접착제를 통하여 다이패들에 전달되고 이열은 서브스트레이트의 비아홀을 통하여 (9)솔다볼로 전달되고 최종적으로 마더보드로 전달된다.
1b와 같은 멀티칩 패키지(multi chip package)에서는 이러한 주요한 열 방출 경로 이외에도 열방출 효과를 높이기 위해 대류(Convection)에 의한 반도체칩의 정션(Junction)부에서 발생된 열을 반도체 칩의 뒷면을 통해 액상 혹은 시트(sheet)형태의 고전도성 재료에 전달되고 이 열은 히트싱크를 통하여 공기중으로도 방열된다.
상기와 같은 종래의 고방열 멀티칩 패키지는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 소형의 패키지 치수가 요구되는 고속 반도체에서 발열되는 방열을 위해서는 방열판을 작게 할 경우 충분한 방열 대응이 어렵다.
둘째, 시스템 패키지에서 방열 효과를 높이기 위한 고속 반도체에서 발열되는 방열을 위해서는 PCB Board에 실장되는 복수 개의 개별 반도체 패키지의 높이차이에 적절한 대응을 위해서 사용되는 액상 혹은 시트(sheet)형태의 고전도성 재료를 충분한 체결력으로 눌러주지 못하여 히트싱크와 전도성재료와 개별 패키지간의 에어갭(Air Gap)이 발생하여 방열에 치명적인 문제가 발생 될수 있으며, 특히 단면 실장의 구조에서는 PCB의 휨에 의해 PCB의 중간에 위치한 반도체칩은 PCB의 양단에 위치한 반도체칩 보다 열방열 특성이 저하된다.
셋째, 1b의 분리 플레이트형의 경우 기계적 강도가 낮아 에어갭을 줄이기 위해 체결력을 높이면 히트싱크의 변형을 가져오며, 기계적 강도를 높이기 위해 냉각핀이 붙어 있는 두꺼운 히트싱크를 사용할 경우 경박 단소한 시스템에 사용이 어렵고, 노트북 컴퓨터와 같이 마더보드에 수평하게 장착되는 경우 자중에 의한 소켓과의 접촉 신뢰성에 문제가 발생된다 .
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안 출한 것으로 멀티칩 패키지에서 최적의 방열 효과를 확보하기 위해 개별 패키지의 PCB에 실장후 발생하는 높이 차이를 보상하기 위해 0.2 mm 이상의 (4)점착성 고전도 재료를 (15)히트스프레다와 개별 패키지 사이에 매개하고, 히트스프레다는 생산성을 고려하여 분리형으로 구성하며, 에어갭을 줄이기 위해 히트스프레다의 강성을 높인 분리 밀패형 구조로 형성하고, PCB의 휨에 의해 PCB의 중간에 위치한 반도체 칩의 방열 효과를 보완하기 위해 컴퓨터와 같은 시스템내에서 자체 냉각을 위해 사용하는 냉각 팬의 효과를 최대한 이용하기 위한 히트싱크에 (7)에어홀과 (6)에어벤트를 한 개 이상 갖는 구조의 고열방출 박형 시스템 패키지 및 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 3a와 공정도 3b는 0ption으로 방열 특성을 높이기 위한 더블 히트싱크를 사용하기 위해 개별패키지 제작시 반도체 칩사이즈와 비슷한 적절한 사이즈의 고복사 방열 특성을 갖는 히트싱크를 반도체칩 뒷면에 일대일 대응이 되도록 형태로의 CSP(Chip Scale Package) 구조 및 제조 방법에 관한 것으로, 이와 같은 고열방출 CSP 패키지는 반도체 칩과 열 전달을 위한 (5)고열전도 접착제와 히트스프레다(Heat Spreader), 전기적 결선을 고려한 (2)인터코넥션(Interconnection), 인터코넥션을 감싸고 있는(3) 몸체, 솔다볼(Solder Ball)과 같은 패키지 (9)외부단자 와 (10)내부단자, 서브스트레트(Substrate)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 1는 종래의 히트싱크를 나타낸 단면도.
도 2a, 도 2b 는 본 발명 방열판 구조 및 제조 방법을 나타낸 도면.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 반도체 칩
2 : 인터코넥션(wire,lead)
3 : 몰딩몸체
4 : 고전도 점착성 Interface material
5 : 고전도 접착성 Interface material
6 : 에어벤트(Air Vent)
7 : 에어슬롯(air slot)
8 : 반도체 패키지 외부단자
9 : 외부단자
10 : 내부단자
11 : 고정홀
12 : 서브스트레이트
13 : 고방열 피막층
14 : 히트싱크(heat sink-개별 패키지용)
15 : 히트스프레다(heat spreader-멀티칩 패키지용)
16 : 고방열 분말 재료
17 : PCB 랜드
18 : PCB TAB 단자
19 : PCB
20 : 체결물
21 : 개별 패키지(unit package)
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명 멀티칩 패키지 레벨에서는 시스템내에서 사용하는 냉각팬의 에어플로어를 이용하여 직냉 방식과 간접 냉각 방식을 혼합한 복합 냉각 방식 형태로의 PCB 보드에 복수 개의 패키지가 실장되고 실장된 패키지 뒷면에 패키지간의 높이차를 보상하기 위해 (18)히트스프레다와 방열되는 (21)패키지간의 접촉율을 높여 열전도를 향상시키기 위한 점착성 고전도성 재료를 매개하고 그위에 방열판을 부착하고 부착한 방열판(heat spreader)을 2개 이상의 (20)체결물을 이용하여 (19)PCB 보드와 체결 고정한다.
상기에서 히트스프레다는 기계적 강성을 확보하기 위한 엠보싱에 의한 모자형태의 밀착 체결구조(도 2a)로 시스템내의 냉각을 위해 사용하는 에어플로어 방향을 고려하여 에어플로어 입사각과 25-90°을 같도록 도 2a와 같이 (15)히트스프레다의 벤딩부 위에 펀칭에 의해 형성된 한 개 이상의 (7)에어슬롯과 히트스프레다 내부의 반도체 칩을 냉각시킨 에어의 빠짐을 위해 에어슬롯의 반대편에 벤딩 혹은 펀칭에 의해 형성된 한 개 이상의 (6)에어 벤트가 있는 (15)고방열 히트스프레다(heat spreader)가 부착된 멀티칩 패키지에 관한 것으로,
에어슬롯은 히트싱크 제작시 제작을 용이하게 하기 위해 벤딩라인 부위에 한개 이상의 에어슬롯을 펀칭 가공하여 구성한다.
상기에서 히트스프레다는 아노다이징(ANODIZE) 표면 처리를 하거나, 단위 면적당 방열 효과를 높이기 위하여 뒷면에 요철을 형성하거나, (16)복사 에미시비티(emissivity)가 높은 카본실리카(Sic)혹은 인조 다이아몬드 등의 피막 코팅(Coating)으로 구성한다.
도 3a와 같이 방열 효과를 높이기 위해 option으로 더블 히트싱크 구조로 제작되는 멀티칩 패키지내의 개별 패키지(Package)는 패키지 제작시 반도체 칩사이즈와 비슷한 적절한 사이즈의 히트싱크를 반도체칩 뒷면에 일대일 대응이되도록 형태로 이와 같은 고열방출 CSP 패키지는 반도체 칩과 열 전달을 위한 (5)고열전도 접착제와 히트싱크(Heat Sink), 전기적 결선을 고려한 (2)인터코넥션(Interconnection), 인터코넥션을 감싸고 있는 (3)몸체, 솔다볼(Solder Ball)과 같은 패키지 (9)외부단자와 (10)내부단자, 서브스트레트(Substrate)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기에서 히트싱크는 단위 면적당 방열 효과를 높이기 위하여 뒷면에 요철을 형성하거나, (16)복사 에미시비티(emissivity)가 높은 카본실리카(Sic) 혹은 인조 다이아몬드 등의 피막 코팅(Coating)으로 구성한다.
이와 같이 구성된 본 발명 고열방출 칩스케일 패키지(CSP:chip scale package)의 제조 방법은 도 3b, 고열방출 유니트 레벨(Unit Level) CSP(Chip Size Package) 제조 공정도에서 와 같이 사전에 구리(Cu)와 같은 고전도성 금속에 열 방출 효과를 높이기 위하여 (16)복사 에미시비티(emissivity)가 높은 카본실리카(SiC) 혹은 인조 다이아몬드 등의 분말을 히트싱크 원판위에 올려 놓고 저온습식 도금에 의한 3 ㎛ 이상의 피막을 형성한 후, 절단 가공한다. 이때 웨이파와 접착력 증대를 위하여 옵션(option)으로 접착면에 불랙옥사이드(Black Oxide)를 형성한다
이렇게 사전에 가공된 히트싱크를 반도체 패키지 다이본딩 제조 공정(OPTION:혹은 몰딩후 절단 공정전에서)(6)열가소성 혹은 열 경화성의 고전도성 접착 테이프(Option:액상 어드시브(Adhesive)를 매개하고 그 위에 히트싱크를 적층하여 히트싱크가 반도체칩 뒷면에 적층하는 공정과 (1)반도체 칩과 외부단자와 전기적 결선 공정과 반도체칩을 보호해 주는 몰딩 공정과 외부단자를 형성해 주는 공정, 개별패키지를 형성하는 절단 공정을 포함하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명 패키지 및 그 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 반도체 칩의 뒷면에 반도체 칩의 칫수를 고려하여 제작 부착된 두께 0.1~10 mm의 고복사 방열특성을 갖는 (14)개별 히트싱크(heat sink)를 통하여 1-2W 정도의 패키지 방열 특성에 대응이 용이하다.
둘째, 레디에이션(Radiation) 효과가 극히 높은 (16)재료의 코팅(Coating)처리로 단위면적당 최대의 방열 효과로 박형의 히트싱크 구성이 가능하며, 컴퓨터의 메모리 모듈과 같이 박형의 고방열 특성이 요구되는 시스템에 대응이 용이하다.
셋째, PCB에 실장된 복수 개의 패키지의 방열 특성을 높이기 위한 멀티칩 패키지에서는 시스템내의 냉각팬의 방향을 고려한 (7)에어슬롯과 (6)에어벤트가 있는 (15)분리 밀패형 외부 모듈용 히트스프레더를 사용하므로 시스템내의 직접냉각과 간접 냉각 방식의 양면 효과로 5-30%의 방열 효과 상승을 거둘 수 있다
넷째, 메모리 모듈과 같은 멀티칩 패키지에 있어서 단면 실장의 구조에서는 PCB의 휨에 의해 PCB의 중간에 위치한 반도체칩의 열방열 특성 저하를 미들칩(middle chip) 바로 위에 형성된 (7)에어슬롯을 통하여 들어오는 에어플로어에 의해 에지 칩(edge chip) 균일한 냉각 효과로 전체 시스템의 효율을 상승시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. PCB와 PCB 위에 솔다페이스트를 이용하여 실장된 복수개의 반도체 개별 패키지와 패키지의 반도체 칩에서 방출되는 열을 전도에 의해 히트스프레다로 방출할 수 있도록 반도체 패키지의 뒷면에 5 psi압력에서 5% 이상의 두께 압축성을 갖는 고전도성 점착제와, 상기로부터 전도된 열을 공기중으로 방출하는 히트스프레다는 기계적 강성을 확보하기 위한 엠보싱에 의한 모자 형태의 밀착 체결구조(도 2a)로 시스템 내의 냉각을 위한 에어플로어 방향을 고려하여 적절한 입사 각도를 같도록 펀칭에 의해 형성된 한 개 이상의 에어슬롯과 히트스프레다 내부의 반도체 칩을 냉각시킨 에어의 빠짐을 위해 에어슬롯의 반대편에 벤딩 혹은 펀칭에 의해 형성된 한개 이상의 에어 벤트가 있는 금속재의 히트스프레다(heat spreader)와, 히트스프레다를 PCB와 체결하는 두 개 이상의 체결홀과 체결물로 구성됨을 특징으로 하는 고방열 히트스프레다 부착 멀티칩 패키지.
  2. 상기 1항에 있어서, 히트스프레다는 방열특성이 좋은 두께 3 mm 이하의 금속성 재질로서 에어플로어 방향을 고려하여 에어플로어 방향과 15-90의 각도를 갖는 히트스프레다의 윗면에 펀칭에 의해 형성된 한 개 이상의 에어슬롯과 히트스프레다 내부의 반도체 칩을 냉각시킨 에어(air)의 빠짐을 위해 에어슬롯의 반대편에 벤딩 혹은 펀칭에 의해 형성된 한 개 이상의 에어벤트가 형성되는 것을 특징으로 하는 간접 냉각과 직접 냉각 방식이 혼용된 복합 냉각 방식의 멀티칩 패키지의 방열판.
  3. 상기 1항에 있어서, 히트스프레다는 방열 효과를 향상시키기 위해 Option으로 고전도성 방열판용 금속에 복사 에미시비티(emissivity)가 높은 카본실리카(SiC) 혹은 인조 다이아몬드 등의 분말을 저온습식 도금에 의한 3 ㎛ 이상의 피막을 형성하는 것을 특징으로 하는 멀티칩 패키지의 방열판.
  4. 상기 1항에 있어서, option으로 더불히트싱크를 사용하는 반도체 패키지의 구조는, 반도체 칩에서 방출되는 열을 방출 할 수 있는 칩뒷면에 적층되어 있는 금속 방열판과 상기 방열판의 단위면적당 방열 효과를 높이기 위한 복사 에미시비티(emissivity)가 높은 도금층과 상기 방열판과 고전도성 접착제에 의해 적층되어 있는 반도체칩 반도체 칩의 칩패드와 내부단자 간에 전기적 연결을 이루어 주는 인터코넥션(Inter Connection) 반도체 칩을 보호하고 있는 충진제, 반도체칩을 외부의 씨스템과 연결해 주는 외부 단자로 구성됨을 특징으로 하는 고방열 칩스케일(Chip Scale Package) 반도체 패키지.
  5. 상기항에 있어서, 반도체 패키지의 형성 방법은 고전도성 방열판용 금속에 열 방출 효과를 높이기 위하여 복사 에미시비티(emissivity)가 높은 카본실리카(SiC) 혹은 인조 다이아몬드 등의 분말을 히트스프레다위에 올려놓고 저온습식 도금에 의한 3 ㎛ 이상의 피막을 형성하는 단계와,
    사전에 가공된 히트싱크를 열 경화성 혹은 열가소성의 고전도성 접착 테이프나, 액상 어드시브(Adhesive)를 매개하고 그 위에 히트싱크와 서브스트레이트에 만들어진 얼라인키를 이용하여 반도체칩 뒷면에 적층하는 단계와, 반도체칩 패드와 패키지의 내부 단자간의 전기적 결선 단계와, 반도체 칩을 외부의 충격으로부터 보호해주는 몰딩단계와, 솔다볼 혹은 리드로서 외부 전극을 형성해 주는 단계와 히트싱크가 부착된 스트립 상태의 패키지를 개별 패키지로 절단하는 단계를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고방열 반도체 패키지의 제조 방법.
  6. 상기항에 있어서, 방열판(heat sink)의 적층은 다이본딩 공정후 (Option으로 몰딩 공정 이후에) 개개의 반도체 칩과 일대일 적층하는 것을 특징으로 하는 고방열 반도체 패키지의 제조 방법.
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