KR20020007809A - 와이어 본딩 기술을 이용한 와이어 그리드 어레이 패키지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본딩 와이어를 이용하여 격자형으로 배열된 외부접속단자인 와이어 단자(Wire connector)를 형성하는 와이어 그리드 어레이 패키지(WGA package)에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 와이어 단자의 표면에 강도를 유지하기 위한 도금층(Plating layer)이 형성됨으로써 추후 와이어 단자가 주기판 등에 솔더를 이용하여 실장될 때 도금층으로 인하여 솔더 결합력이 저하되는 것을 방지하기 위한 것이며, 이를 위하여 표면에 도금층이 형성되지 않은 본딩 와이어만으로 구성되는 와이어 단자들을 외부접속단자로 형성하고, 와이어 단자들이 배열된 외곽부분에 다수의 스페이서(Spacer)가 형성된 것을 특징으로 하는 구조를 특징으로 하며, 이를 통하여 금과 같은 재질의 연성의 본딩 와이어만을 이용하여 실장함으로써 솔더와의 결합력을 향상시킬 수 있고, 또한 종래의 도금층으로 인한 솔더와의 접착 불량을 방지할 수 있다.

Description

와이어 본딩 기술을 이용한 와이어 그리드 어레이 패키지 { Wire Grid Array package using wire bonding technology }

본 발명은 본딩 와이어를 이용하여 격자형으로 배열된 외부접속단자인 와이어 단자(Wire connector)를 형성하는 와이어 그리드 어레이 패키지(WGA package ; Wire Grid Array package)에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 와이어 단자의 표면에 강도를 유지하기 위한 도금층이 형성됨으로써 추후 와이어 단자가 주기판 등에 솔더를 이용하여 실장될 때 솔더 결합력이 저하되는 것을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 와이어 그리드 어레이 패키지의 개선에 관한 것이다.

반도체 소자가 소형화, 집적화 됨에 따라 기존의 리드 프레임을 이용한 플라스틱 패키지에서 솔더 볼(Solder ball), 핀(Pin) 등과 같은 외부접속단자를 사용하는 그리드(Grid) 방식의 패키지가 실용화되어 있다. 솔더 볼을 이용한 경우를 비지에이 패키지(BGA package ; Ball Grid Array package)라고 하며, 핀을 이용한 경우를 피지에이 패키지(PGA package ; Pin Grid Array package)라고 한다.

피지에이 패키지는 외부접속단자의 간격을 좁게 할 수 있어 파인 피치(Finepitch)에 쉽게 대응할 수 있는 장점이 있으나, 사전에 핀들을 부착함에 따라 제조 비용의 상승을 갖는 어려움이 있고, 또한 비지에이 패키지는 솔더 볼의 높이 (Height)를 높이고자 하는 경우 솔더 볼이 차지하는 면적이 비례적으로 커지게 되어 솔더 볼 간격을 설계하기에 어려움이 있다.

이처럼, 핀 또는 솔더 볼을 이용한 경우의 어려움을 해결하기 위한 방법으로 미국 폼팩터사(美國 Formfactor, Inc.)에서 와이어 본딩 기술을 이용하여 와이어 단자(Wire connector)를 형성한 패키지 구조를 제안하고 있으며, 이와 관련된 기술을 소위 "MOST 특허"라고도 칭한다. MOST 특허와 관련되어 미국 특허청에 등록되어 있는 문헌으로는 와이어 단자의 구조를 기술한 『미국특허공보 US5,829,128』, 『미국특허공보 US5,900,738』이 있고, 와이어 단자의 제조 방법을 기술한 『미국특허공보 US 5,601,740』, 『미국특허공보 US5,773,780』등이 있다.

도 1a는 종래의 와이어 그리드 어레이 패키지(100 ; WGA package)를 도시한 단면도이며, 도 1b는 도 1a의 와이어 단자(60)를 상세히 도시한 단면도이다. 도 1a 및 도 1b를 참고로 하여 이들 구조를 설명하면 다음과 같다.

종래의 와이어 그리드 어레이 패키지(100)는 금속 배선들(22)이 상하면에 구비된 기판(20) 위로 접착제(30)가 개재되어 반도체 칩(10)이 실장되어 있고, 본딩패드들(12)과 그에 대응되는 금속 배선들이 본딩 와이어(40)로 연결된 후 성형수지 (50)로 성형되어 있다.

그리고 반도체 칩(10)이 실장된 기판(20)의 반대면에 본딩 와이어로 형성된 와이어 단자(60)들이 격자를 이루며 형성되어 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이 와이어 단자(60)는 탄성을 주기 위하여 "S"자 모양으로 형성되어 있으며, 실제 적용함에 있어서는 반드시 "S"자 모양으로 한정되는 것은 아니고 자유롭게 형성될 수 있다.

또한 이들 와이어 단자(60)들이 기존의 솔더 볼(Solder ball) 및 핀(Pin)의 역할을 하게 되므로 와이어 단자는 솔더 볼 및 핀이 갖는 정도의 강도(Hardness)를 유지하여야 하고, 이를 위하여 강도가 약한 본딩 와이어(62)의 표면에 니켈(Ni) 등 강도가 좋은 금속으로 도금층(64)이 형성됨으로써 와이어 단자(60)가 형성되는 것을 특징으로 한다.

이러한 와이어 단자를 제조하는 방법이 도 2에 도시되어 있다. 도 2에 따르면, 기판(20)의 금속 배선(22) 위로 릴(76 ; Reel)에 감겨진 본딩 와이어(62)의 끝단이 본딩된 후 캐필러리(70)의 동작에 따라 일정한 형태(예를 들어 "S"자 모양)의 굴곡을 이루며 형성된 후 토치(74) 등에 의해 절단되어 구성된 후 표면에 도금층(도 1b의 64)이 형성됨으로써 와이어 단자(도 1b의 60)가 형성된다.

이와 같은 종래의 와이어 단자는 본딩 와이어를 이용하기 때문에 솔더 볼과 같이 넓은 면적을 차지하지 않고, 또한 핀처럼 사전에 부착되어야 하는 어려움이 없는 등 장점이 있으나, 금(Au)과 같은 재질의 연성의 본딩 와이어를 외부접속단자로 사용하기 위하여 표면에 니켈(Ni) 등과 같은 재질의 강성의 도금층을 형성하여야 하는 등의 불리함을 갖는다.

또한 와이어 단자의 표면이 도금층을 이루기 때문에, 추후 와이어 단자를 주기판(Motherboard) 등에 실장하기 위하여 솔더(Sn/Pb)를 이용할 때 솔더와 도금층인 니켈과의 접착력이 저하되는 불리한 점을 갖는다. 이로 인하여 와이어 단자를 구비한 패키지를 주기판 등에 실장할 때 솔더 결합력이 저하되어 패키지 실장의 신뢰성이 저하되는 어려움이 있다.

본 발명의 목적은 와이어 단자를 외부접속단자로 사용할 때 와이어 단자의 표면 도금층으로 인하여 솔더 결합력이 저하되는 것을 방지할 수 있는 와이어 그리드 어레이 패키지를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 와이어 단자 표면의 도금층을 제거함으로써 와이어 단자와 솔더 사이의 접착 불량을 방지하는 것이다.

도 1a는 종래의 와이어 단자를 이용한 패키지를 도시한 단면도,

도 1b는 도 1a의 와이어 단자를 상세히 도시한 단면도,

도 2는 종래의 와이어 단자를 형성하는 모습을 도시한 공정 사시도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어 그리드 어레이 패키지를 도시한 단면도,

도 4는 도 3의 와이어 단자를 상세히 도시한 단면도,

도 5a 및 도 5b는 와이어 그리드 어레이 패키지의 평면도,

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 와이어 그리드 어레이 패키지를 도시한 단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10, 110 : 반도체 칩 12, 112 : 본딩패드

20, 120 : 기판(Substrate) 22, 122 : 금속 배선

30, 130 : 접착제 40, 140 : 본딩 와이어

50, 150 : 성형수지 60, 160 : 와이어 단자

62, 162 : 본딩 와이어 64 : 도금층

70 : 캐필러리(Capillary) 74 : 토치(Torch)

76 : 릴(Reel)

100, 200 : 와이어 그리드 어레이 패키지(WGA package)

164 : 볼 본딩부 166 : 스티치 본딩부

180 : 스페이서(Spacer)

이러한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명은 본딩패드들이 구비된 반도체 칩과; 반도체 칩이 실장되고 본딩패드들에 대응되어 전기적으로 연결되는 금속 배선들이 구비된 기판과; 금속 배선의 일단 위로 형성되는 외부 접속단자들;을 포함하는 반도체 패키지에 있어서, 외부 접속단자는 와이어 본딩 기술을 이용하여 일정한 높이의 "∩"자형으로 형성되는 와이어 단자이고, 와이어 단자들이 격자형으로 배열된 외곽에서 일정한 높이로 형성되어 패키지의 실장높이를 유지시키는 다수의 스페이서들;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 기술을 이용한 와이어 그리드 어레이 패키지를 제공한다.

또한 본 발명에 따른 와이어 그리드 어레이 패키지에 있어서, 와이어 단자들 사이의 최소 피치는 약 150 ㎛이고, 스페이서는 솔더 볼인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어 그리드 어레이 패키지(200 ; WBGA package))를 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3의 와이어 단자(160)를 상세히 도시한 단면도이며, 도 5a 및 도 5b는 와이어 그리드 어레이 패키지의 평면도이다. 도 3 내지 도 5b를 참고로 하여 본 발명에 따른 와이어 그리드 어레이 패키지(200)의 구조를 설명한다.

본 발명에 따른 와이어 그리드 어레이 패키지(200)는 종래와 마찬가지로 금속 배선들(122)이 상하면에 구비된 기판(120) 위로 접착제(130)가 개재되어 반도체 칩(110)이 실장되어 있고, 본딩패드들(112)과 그에 대응되는 금속 배선들이 본딩 와이어(140)로 연결된 후 성형수지(150)로 성형되어 있다.

반도체 칩(110)이 실장된 기판(120)의 반대면에 본딩 와이어로 형성된 와이어 단자(160)들이 격자를 이루며 형성되어 있고, 와이어 단자들(160)이 격자형으로 배열된 외곽을 따라 다수의 스페이서들(180)이 형성되어 있다. 스페이서(180)는 솔더 볼 또는 금속리드(Metal lid) 등이 이용될 수 있으며, 도 3에는 솔더 볼이 도시되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이 와이어 단자(160)는 종래와는 달리 "∩"자형으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 즉, 기판의 금속 배선(122) 위에서 본딩 와이어 (162)가 볼 본딩(164 ; Ball bonding)된 후 위로 끌어올려진 후 다시 동일한 금속 배선(122) 위로 스티치 본딩(166 ; Stitch bonding)됨으로써 1개의 와이어 단자 (160)를 형성하는 것이다.

이때, 단일 금속 배선(122) 위에서 볼 본딩(164) 후 스티치 본딩(166)까지 이루어지기 때문에 본딩 와이어(162)가 형성하는 루프의 간격이 좁게 형성되도록 캐필러리의 동작을 조절하여야 한다. 즉, 도 4의 R 부분처럼 캐필러리를 이용하여 본딩 와이어를 끌어올릴 때 역방향(Reverse)으로 굴곡을 줌으로써 본딩 와이어의 루프를 용이하게 형성할 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 와이어 단자(160)는 종래와는 달리 연성의 금(Au) 재질인 본딩 와이어(162)를 그대로 사용하며, 실장에 필요한 강도를 얻기 위하여 와이어 단자들의 외곽에 다수의 스페이서들(180)이 형성된 것을 특징으로 한다. 스페이서 (180 ; Spacer)는 패키지와 주기판 사이의 실장 간격을 유지시켜주는 역할을 하며, 이를 통하여 와이어 단자가 연성을 유지할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 스페이서(180)는 와이어 단자(160)와 같이 본딩패드(112)와 전기적으로 연결되는 금속 배선(122) 위로 또는 본딩패드와 관련 없이 독립적으로 존재하는 더미 금속(Dummy metal) 위로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 와이어 단자(160)는 또한 "∩"자형으로 형성되어 있기 때문에 추후 주기판(Motherboard) 등에 실장될 때 와이어 단자(160)의 "∩"자형 끝부분이 솔더(Sn/Pb)에 쐐기처럼 연결되어 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다. 종래와 달리 도금층이 없기 때문에 본딩 와이어가 솔더에 확산되어 결합력이 증대될 수 있으며, 종래의 와이어 단자(도금층이 형성된 와이어 단자)를 이용할 때 야기되는 니켈(Ni)과 솔더 사이의 접착 불량을 피할 수 있다.

도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 각 와이어 단자들(160, 160')은 그 형성되는 방향(볼 본딩 부분과 스티치 본딩 부분 사이의 방향)이 일정하게 또는 자유롭게 형성할 수 있다. 도 5a에 도시되어 있듯이 각 와이어 단자는 형성되는 방향으로 일정한 간격(P1 ; Pitch 1)을 이루며, 동시에 그에 직각 방향으로 역시 소정의 간격(P2 ; Pitch 2)을 유지한다. P1은 최소 약 300㎛를 유지하며, P2는 최소 약 150㎛를 유지하는 것이 바람직하다. 이들 간격으로 와이어 본딩 공정에서 캐필러리(Capillary)가 구동되는 최소한의 영역이 확보되며, 또한 기판(Substrate)에서 금속 배선의 간격을 설계할 때의 기준이 될 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 와이어 그리드 어레이 패키지들(300, 300')의 단면도이며, 도 6a 및 도 6b를 참고로 하여 이들 구조를 설명하면 다음과 같다.

도 6a 및 도 6b는 기존의 와이어 본딩 비지에이 패키지(Wire Bonding BGA package)와 같은 구조에서 외부접속단자(Outer connector)를 본 발명에 따른 와이어 단자(260)로 대용한 구조이다.

탄성중합체(Elastomer)와 같은 접착제(230)를 이용하여 반도체 칩(210) 위로 폴리이미드 필름(Polyimide film)과 같은 기판(220)을 부착한 후 기판 위의 금속 배선을 본딩 와이어(240)를 이용하여 각각 본딩패드(212)에 연결한 후 본딩 와이어가 본딩된 영역이 성형수지(250)로 밀봉되어 있다.

이에 더하여, 금속 배선들 위로 본 발명에 따른 와이어 단자들(260)이 형성되어 있으며, 역시 와이어 단자들이 형성된 외곽에 다수의 스페이서들(280)이 형성된 것을 특징으로 한다. 도 6a에서는 스페이서(280)로 솔더 볼이 사용된 예를 도시하고 있으며, 도 6b에서는 스페이서(280')로 금속리드(Metal lid)가 사용된 예가 도시되어 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 와이어 그리드 어레이 패키지는 도금층이 형성되지 않은 본딩 와이어만으로 구성되는 와이어 단자들을 외부접속단자로 형성하고, 와이어 단자들이 배열된 외곽부분에 다수의 스페이서가 형성된 것을 특징으로 하는 구조를 특징으로 하며, 본 명세서에는 기존의 비지에이 패키지와 와이어 본딩 비지에이 패키지를 실시예로 기술되어 있으나 본 발명의 기술적 사상이 본 실시예들로 한정되는 것이 아님은 자명하다.

본 발명에 따른 와이어 그리드 어레이 패키지는 표면에 도금층이 형성되지 않은 본딩 와이어만으로 구성되는 와이어 단자들을 외부접속단자로 형성하고, 와이어 단자들이 배열된 외곽부분에 다수의 스페이서가 형성된 것을 특징으로 하는 구조를 특징으로 하며, 이를 통하여 금과 같은 재질의 연성의 본딩 와이어만을 이용하여 실장함으로써 솔더와의 결합력을 향상시킬 수 있고, 또한 종래의 도금층과 솔더와의 접착 불량을 방지할 수 있다.

Claims (3)

1. 본딩패드들이 구비된 반도체 칩;

   상기 반도체 칩이 실장되고 상기 본딩패드들에 대응되어 전기적으로 연결되는 금속 배선들이 구비된 기판;

   상기 금속 배선의 일단 위로 형성되는 외부 접속단자들;

   을 포함하는 반도체 패키지에 있어서,

   상기 외부 접속단자는 와이어 본딩 기술을 이용하여 일정한 높이의 "∩"자형으로 형성되는 와이어 단자이고,

   상기 와이어 단자들이 격자형으로 배열된 외곽에서 상기 일정한 높이로 형성되어 패키지의 실장높이를 유지시키는 다수의 스페이서들;

   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 기술을 이용한 와이어 그리드 어레이 패키지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 와이어 단자들 사이의 최소 피치는 약 150 ㎛인 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 기술을 이용한 와이어 그리드 어레이 패키지.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 스페이서는 솔더 볼인 것을 특징으로 하는 와이어 본딩 기술을 이용한 와이어 그리드 어레이 패키지.