KR20060081749A - Chip scale package having metal plate and stack package, semiconductor package module using thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 칩 스케일 패키지와 적층 패키지 및 그를 이용하는 반도체 모듈에 관한 것으로서, 중앙 부분에 관통구멍이 형성된 기판과; 본딩패드들이 칩 상면에 형성되어 있으며 관통구멍에 본딩패드들이 노출되도록 기판에 부착된 반도체 칩과; 관통구멍을 경유하여 상기 반도체 칩과 기판을 전기적으로 연결시키는 본딩와이어들; 본딩와이어들과 그 접합 부분을 밀봉시키며 관통구멍 부분에 형성된 수지 성형부; 및 기판에 상기 반도체 칩이 부착된 면의 반대면에 부착되며 카본 파이버(Carbon Fiber)를 함유하는 재질로 이루어지며 열팽창계수가 -5~10ppm/℃이고 영스 모듈러스(Young's Modulus)가 80~150Gpa인 금속판;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하면, 반도체 칩이 부착된 기판의 반대면 또는 수지 성형부 상부에 열팽창계수와 영스 모듈러스가 반도체 칩과 같거나 우수하고 열전도도가 기판 또는 수지 성형부보다 높은 물리적 특성을 갖는 금속판을 부착시킴으로써 열 방출 특성이 향상됨과 아울러 패키지 휨이 방지될 수 있다. 따라서 칩 스케일 패키지와 그를 이용한 적층 패키지 및 반도체 모듈의 신뢰성이 향상된다.The present invention relates to a chip scale package and a laminated package, and a semiconductor module using the same, comprising: a substrate having a through hole formed in a central portion thereof; A semiconductor chip having bonding pads formed on an upper surface of the chip and attached to the substrate such that the bonding pads are exposed through the through hole; Bonding wires electrically connecting the semiconductor chip and the substrate via through holes; A resin molded part formed in the through-hole part to seal the bonding wires and the joining part thereof; And a material attached to the opposite side of the surface on which the semiconductor chip is attached to the substrate, and made of a material containing carbon fiber, having a coefficient of thermal expansion of -5 to 10 ppm / 占 폚 and a Young's Modulus of 80 to 150 Gpa. It characterized in that it comprises a; metal plate. According to this, the thermal expansion coefficient and Young's modulus are attached to the opposite side of the substrate on which the semiconductor chip is attached or the upper part of the resin molded part by attaching a metal plate having a physical property equal to or better than that of the semiconductor chip and having higher thermal conductivity than the substrate or the resin molded part The release characteristics can be improved and the package warpage can be prevented. Therefore, the reliability of the chip scale package, the stacked package and the semiconductor module using the same is improved.
적층 패키지, 스택 패키지, 모듈, 방열, 히트스프레드, 휨, 워피지Stacked Packages, Stacked Packages, Modules, Heat Resistant, Heat Spread, Warp, Warpage
Description
도 1은 종래 기술에 따른 적층 패키지의 일 예를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing an example of a laminated package according to the prior art.
도 2는 종래 기술에 따른 적층 패키지의 다른 예를 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing another example of a laminated package according to the prior art.
도 3은 종래 기술에 따른 반도체 모듈의 일 예를 나타낸 부분 단면도이다.3 is a partial cross-sectional view showing an example of a semiconductor module according to the prior art.
도 4는 종래 기술에 따른 반도체 모듈의 다른 예를 나타낸 부분 단면도이다.4 is a partial cross-sectional view showing another example of a semiconductor module according to the prior art.
도 5는 종래 기술에 따른 반도체 모듈에 대한 모의 실험 결과를 나타낸 온도 분포 사진이다.5 is a temperature distribution photograph showing a simulation result of the semiconductor module according to the prior art.
도 6과 도 7은 종래 기술에 따른 반도체 모듈의 또 다른 예들을 나타낸 단면도들이다.6 and 7 are cross-sectional views illustrating still another example of a semiconductor module according to the related art.
도 8과 도 9는 종래 기술에 따른 적층 패키지를 구성하는 칩 스케일 패키지의 휨을 설명하기 위한 개략 단면도이다.8 and 9 are schematic cross-sectional views for explaining the deflection of the chip scale package constituting the laminated package according to the prior art.
도 10은 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지의 제1실시예를 나타낸 단면도이다.10 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a chip scale package according to the present invention.
도 11은 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지의 제2실시예를 나타낸 단면도이다. 11 is a cross-sectional view showing a second embodiment of a chip scale package according to the present invention.
도 12a와 도 12b는 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지의 제3실시예를 나타낸 단면도와 평면도이다.12A and 12B are a cross-sectional view and a plan view of a third embodiment of a chip scale package according to the present invention.
도 13a와 도 13b는 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지의 제4실시예를 나타낸 단면도와 평면도이다.13A and 13B are a cross-sectional view and a plan view of a fourth embodiment of a chip scale package according to the present invention.
도 14와 도 15는 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지의 제5실시예와 제6실시예를 나타낸 단면도이다.14 and 15 are cross-sectional views showing a fifth embodiment and a sixth embodiment of a chip scale package according to the present invention.
도 16은 본 발명에 따른 적층 패키지의 제1실시예를 나타낸 단면도이다.16 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a laminated package according to the present invention.
도 17은 본 발명에 따른 적층 패키지의 제2실시예를 나타낸 단면도이다.17 is a cross-sectional view showing a second embodiment of a laminated package according to the present invention.
도 18은 본 발명에 따른 적층 패키지의 제3실시예를 나타낸 단면도이다.18 is a cross-sectional view showing a third embodiment of a laminated package according to the present invention.
도 19는 본 발명에 따른 적층 패키지의 제4실시예를 나타낸 단면도이다.19 is a sectional view showing a fourth embodiment of a laminated package according to the present invention.
도 20은 본 발명에 따른 적층 패키지의 제5실시예를 나타낸 단면도이다.20 is a sectional view showing a fifth embodiment of the laminated package according to the present invention.
도 21은 본 발명에 따른 적층 패키지의 제6실시예를 나타낸 단면도이다.21 is a sectional view showing a sixth embodiment of a laminated package according to the present invention.
도 22는 본 발명에 따른 적층 패키지의 제7실시예를 나타낸 단면도이다.22 is a sectional view showing a seventh embodiment of a laminated package according to the present invention.
도 23은 본 발명에 따른 적층 패키지의 제8실시예를 나타낸 단면도이다.23 is a sectional view showing an eighth embodiment of a laminated package according to the present invention.
도 24는 본 발명에 따른 반도체 모듈의 제1실시예를 나타낸 단면도이다.24 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a semiconductor module according to the present invention.
도 25는 본 발명에 따른 반도체 모듈의 제2실시예를 나타낸 단면도이다.25 is a sectional view showing a second embodiment of a semiconductor module according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
100; 칩 스케일 패키지 110; 적층 패키지100;
120; 반도체 모듈 131; 반도체 칩120;
132; 본딩패드 135; 기판
132;
136; 관통구멍 137; 금속판 삽입구멍136; Through-
141; 본딩와이어 143; 수지 성형부141;
145; 솔더 볼 151; 금속판145; Solder
155; 댐 157; 고정핀155; Dam 157; Push pin
161; 모듈 기판161; Module board
본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 열 특성과 패키지 휨이 개선되어 신뢰성이 향상된 금속판을 갖는 칩 스케일 패키지와 그를 이용한 적층 패키지 및 반도체 모듈에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a chip scale package having a metal plate having improved thermal characteristics and package warpage and having improved reliability, and a stacked package and a semiconductor module using the same.
적층 패키지(stack package)는 반도체 조립 공정을 거쳐 제조가 완료된 단위 반도체 칩 패키지 복수 개가 수직으로 적층되어 하나의 단위 반도체 칩 패키지로 구현되는 패키지의 한 형태이다. 적층 패키지는 단위 반도체 칩 패키지와 동일한 실장 면적 내에서 용량을 증가시킬 수 있어 각각의 단위 반도체 칩 패키지를 복수 개 실장시키는 것에 비하여 유리하다는 장점이 있다.A stack package is a type of package in which a plurality of unit semiconductor chip packages, which have been manufactured through a semiconductor assembly process, are vertically stacked and implemented as a single unit semiconductor chip package. Since the stack package can increase its capacity within the same mounting area as that of the unit semiconductor chip package, there is an advantage in that it is advantageous compared to mounting a plurality of unit semiconductor chip packages.
최근에 알려져 있는 적층 패키지로서는 실장 면적이 작고 패키지 두께가 얇은 칩 스케일 패키지(CSP; Chip Scale Package) 복수 개를 적층시킨 형태의 적층 패키지가 알려져 있다. 이와 같은 적층 패키지는 예를 들어 고성능 서버 시스템에 사용되는 고속 및 고용량의 메모리 반도체 모듈의 제조에 이용된다. 칩 스케일 패 키지를 이용하는 적층 패키지로서는 2개의 칩 스케일 패키지가 적층된 듀얼 스택 패키지(DSP; Dual Stack Package)와 4개의 칩 스케일 패키지가 적층된 쿼드 스택 패키지(QSP; Quad Stack Package)가 대표적이다.BACKGROUND ART As a lamination package known recently, a lamination package in which a plurality of chip scale packages (CSPs) with a small mounting area and a thin package thickness are laminated is known. Such stacked packages are used, for example, in the manufacture of high speed and high capacity memory semiconductor modules used in high performance server systems. As a stacked package using a chip scale package, a dual stack package (DSP) in which two chip scale packages are stacked and a quad stack package (QSP) in which four chip scale packages are stacked are typical.
종래 기술에 따른 적층 패키지와 그 적층 패키지들을 이용하여 제조되는 반도체 모듈의 예들을 이하에서 소개하기로 한다.Examples of a stack package according to the related art and a semiconductor module manufactured using the stack packages will be described below.
도 1은 종래 기술에 따른 적층 패키지의 일 예를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing an example of a laminated package according to the prior art.
도 1에 도시된 적층 패키지(910)는 중앙부에 관통구멍(936)이 형성된 기판(935)과 본딩패드(932)들이 중앙부에 형성된 센터패드형(center pad type)의 반도체 칩(931)을 포함하며 외부접속단자로서 솔더 볼(solder ball; 945)을 이용하는 BGA 형태의 단위 칩 스케일 패키지(900) 2개가 수직으로 적층된 듀얼 스택 패키지이다.The
적층 패키지(910)를 구성하는 각각의 단위 칩 스케일 패키지(900)는 관통구멍(936)에 본딩패드(932)가 위치하도록 반도체 칩(931)이 기판(935)의 일면에 부착되고, 본딩와이어(bonding wire; 941)에 의해 반도체 칩(931)과 기판(935)의 전기적인 연결이 이루어지며, 본딩와이어(941) 및 그 접합 부분은 관통구멍(936) 부분에 에폭시 몰딩 컴파운드(EMC; Epoxy Molding Compound)와 같은 성형 수지로 형성되는 수지 성형부(943)에 의해 밀봉되며, 기판(935)의 칩 실장면 가장자리에 복수의 솔더 볼(945)이 형성되어 있는 구조이다.In each unit
적층되는 단위 칩 스케일 패키지(900)들은 상부에 위치한 단위 칩 스케일 패키지의 솔더 볼(945)이 하부에 위치한 단위 칩 스케일 패키지의 기판(935)에 부착 됨으로써 전기적인 상호 연결 및 물리적인 결합이 이루어진다.The stacked unit
도 2는 종래 기술에 따른 적층 패키지의 다른 예를 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing another example of a laminated package according to the prior art.
도 2에 도시된 적층 패키지(911)는 전술한 예와 유사한 구조의 듀얼 스택 패키지로서, 전술한 예에서와 같이 중앙부에 관통구멍(936)이 형성된 기판(935)과 센터패드형의 반도체 칩(931)을 갖는 2개의 단위 칩 스케일 패키지(901)가 수직으로 적층되어 있으며, 전술한 예와 달리 반도체 칩(931)이 기판(935)의 솔더 볼(945)이 형성된 면의 반대면에 부착된 구조이다.The
도 3은 종래 기술에 따른 반도체 모듈의 일 예를 나타낸 부분 단면도이고, 도 4는 종래 기술에 따른 반도체 모듈의 다른 예를 나타낸 부분 단면도이다.3 is a partial cross-sectional view showing an example of a semiconductor module according to the prior art, and FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing another example of a semiconductor module according to the prior art.
도 3에 도시된 반도체 모듈(920)은 도 1의 적층 패키지(910)에서 소개된 바와 같은 구조를 갖는 4개의 단위 칩 스케일 패키지(900)가 수직으로 적층된 쿼드 스택 패키지 형태의 적층 패키지(913) 복수 개가 모듈 기판(961)에 실장된 구조이다. 가장 하부에 위치한 단위 칩 스케일 패키지의 솔더 볼(945)이 적층 패키지(913)의 외부접속단자로 이용된다.The
그리고 도 4에 도시된 반도체 모듈(921)은 도 2의 적층 패키지(911)에서 소개된 바와 같은 구조를 갖는 4개의 단위 칩 스케일 패키지(901)가 적층된 쿼드 스택 패키지 형태의 적층 패키지(914) 복수 개가 모듈 기판(961)에 실장되어 있는 구조이다. 도 3에 도시된 반도체 모듈(920)과 마찬가지로 가장 하부에 위치한 단위 칩 스케일 패키지(901)의 솔더 볼(945)이 적층 패키지(914)의 외부접속단자로 이용된다.
In addition, the
그런데 전술한 바와 같은 종래 기술에 따른 적층 패키지와 반도체 모듈은 정상적인 동작을 위하여 동작 과정에서 발생하는 고온의 열이 모듈 기판으로 전달되거나 또는 대기 중으로 배출되어야 하나, 적층 패키지를 구성하는 각 단위 칩 스케일 패키지들 사이 및 단위 칩 스케일 패키지와 모듈 기판 또는 실장 기판 사이에 공극(air gap)이 존재하기 때문에 열 방출이 원활하게 이루어지지 않는 문제가 발생되고 있다. 이와 같은 사실은 모의 실험(simulation) 결과에서도 나타난다.However, the stack package and the semiconductor module according to the related art as described above should be transferred to the module substrate or discharged to the atmosphere for high temperature heat generated during the operation for normal operation, but each unit chip scale package constituting the stack package There is a problem that heat dissipation does not occur smoothly due to the presence of air gaps between them and between the unit chip scale package and the module substrate or the mounting substrate. This is also true of simulation results.
도 5는 종래 기술에 따른 반도체 모듈에 대한 모의 실험 결과를 나타낸 온도 분포 사진이다.5 is a temperature distribution photograph showing a simulation result of the semiconductor module according to the prior art.
서버 시스템(server system)에 메모리 반도체 모듈을 2개 실장하여 모의 실험한 결과 도 5와 같은 온도 분포 결과를 얻을 수 있었는데, 단위 칩 스케일 패키지들간의 공극 부분에서 등고선이 밀집되어 나타났다. 이는 공극 부분과 주변 부분이 온도차가 크게 발생되고 있어 열 방출 효과가 떨어지고 있음을 의미한다. 여기서, 반도체 모듈이 실장되는 슬롯(slot)들간의 피치는 10.16㎜로 하였다.As a result of simulation by mounting two memory semiconductor modules in a server system, the temperature distribution results as shown in FIG. 5 were obtained, and the contours were densely packed in the air gaps between the unit chip scale packages. This means that a large temperature difference is generated between the gap portion and the surrounding portion, and the heat dissipation effect is reduced. Here, the pitch between slots in which the semiconductor module is mounted was 10.16 mm.
한편 종래 기술에 따른 적층 패키지와 반도체 모듈에 있어서 적층되는 단위 칩 스케일 패키지의 수가 많아질수록 열 방출 특성은 더욱 좋지 않게 나타난다. 예들 들어, 쿼드 스택 패키지는 듀얼 스택 패키지 대비 소비 전력이 크기 때문에 열 방출 특성이 상대적으로 더 취약하다. 그리고 시스템 보드 상에서 반도체 모듈이 실장되는 슬롯들간의 여유 공간이 더욱 더 좁아지기 때문에 마찰 저항 증가로 인해 시스템 냉각 팬에 의한 냉각 효과를 적게 받게 되어, 결과적으로 온도 상승에 따른 제품 특성 저하가 나타난다. 이와 같이 열 방출 특성 저하 문제를 개선하기 위한 방안으로서 후술되는 반도체 모듈 구조가 제안되기도 하였다.Meanwhile, as the number of unit chip scale packages stacked in the stack package and the semiconductor module according to the prior art increases, the heat dissipation characteristics are worse. For example, quad stack packages are more vulnerable to heat dissipation due to their higher power consumption than dual stack packages. In addition, since the free space between slots on which the semiconductor module is mounted on the system board becomes narrower, the frictional resistance increases, thereby reducing the cooling effect of the system cooling fan. As a result, the deterioration of the product characteristics due to the rise in temperature appears. As such, a semiconductor module structure described below has been proposed as a method for improving the problem of deterioration of heat emission characteristics.
도 6과 도 7은 종래 기술에 따른 반도체 모듈의 또 다른 예들을 나타낸 단면도들이다.6 and 7 are cross-sectional views illustrating still another example of a semiconductor module according to the related art.
도 6과 도 7에 도시된 반도체 모듈(922,923)은 각각 열 방출 특성을 향상시키기 위해 제안된 구조로서, 도 6에 도시된 반도체 모듈(922)의 경우 적층 패키지(915)의 가장 상부에 위치한 단위 칩 스케일 패키지(901)의 반도체 칩(931) 상에 방열판(951)이 부착된 구조이며, 도 7에 도시된 반도체 모듈(923)의 경우 적층 패키지(916)의 가장 상부에 위치한 단위 칩 스케일 패키지(901)의 기판에 더미 볼(dummy ball; 946)을 개재하여 방열판(952)이 부착된 구조이다.The
전술한 바와 같이, 가장 상부에 위치한 칩 스케일 패키지의 반도체 칩 상에 국부적으로 방열판이 부착되거나 더미 볼을 개재하여 기판 상에 방열판이 부착된 적층 패키지는 방열판을 통하여 추가로 열 방출이 이루어질 수 있으므로 향상된 열 방출 특성을 갖는다. 그러나 이와 같은 적층 패키지의 경우에 방열판과 직접 접촉이 이루어지지 않는 각각의 단위 칩 스케일 패키지의 휨(warpage) 발생이 심해 패키지 신뢰성 측면에서의 구조적 보완이 요구된다.As described above, a laminated package in which a heat sink is locally attached to a semiconductor chip of a chip scale package located at the top or a heat sink is attached to a substrate through a dummy ball may be further heat discharged through the heat sink. Has heat release properties. However, in the case of such a laminated package, warpage of each unit chip scale package, which is not in direct contact with the heat sink, is severe, requiring structural supplementation in terms of package reliability.
도 8과 도 9는 종래 기술에 따른 적층 패키지를 구성하는 칩 스케일 패키지의 휨을 설명하기 위한 개략 단면도이다.8 and 9 are schematic cross-sectional views for explaining the deflection of the chip scale package constituting the laminated package according to the prior art.
도 8과 도 9를 참조하여 휨이 발생되는 원리를 설명하면, 통상적으로 단위 칩 스케일 패키지(900,901)는 온도가 높아지면 반도체 칩(931)과 기판(935) 및 수지 성형부(943)의 열팽창계수(CTE; Coefficient of Thermal Expansion) 차이로 인 하여 휨이 발생된다. 도 8과 같이 반도체 칩(931)이 기판(935)의 솔더 볼 형성면에 부착되는 경우 패키지 가장자리 부분이 반도체 칩(931)이 부착되는 면의 반대면 방향으로 A와 같이 휨이 발생되고, 도 9와 같이 반도체 칩(931)이 기판(935)의 솔더 볼 형성면에 반대되는 면에 부착되는 경우 B와 같이 패키지 가장자리 부분이 솔더 볼 형성면 방향으로 휨이 발생된다.8 and 9, the unit chip scale packages 900 and 901 may thermally expand the
그 밖에 일체형 히트 스프레더(heat spreader)를 부착하여 열 방출 특성 문제와 칩 보호 문제를 해결하는 반도체 모듈이 소개되어 있으나, 반도체 모듈 두께 증가로 인해 두께에 대한 고객의 요구 조건을 만족시키지 못하는 문제가 초래될 수 있다. 특히 서버 시스템의 메모리 반도체 모듈이 실장되는 슬롯 사이의 피치(pitch)가 점차 감소되고 있기 때문에 다수의 메모리 반도체 모듈이 슬롯에 장착되면, 반도체 모듈 사이의 공극에 여유가 없어지게 됨으로써 열 방출 효율이 떨어지게 된다. 더욱이 시스템 냉각 팬에 의한 공기의 유속 효과를 적게 받게 되어 메모리 반도체 모듈의 온도가 상승하게 되어 제품의 특성이 저하되는 문제점이 있다.In addition, semiconductor modules have been introduced to solve heat dissipation characteristics and chip protection problems by attaching an integrated heat spreader. However, the increase in the thickness of the semiconductor module does not meet customer requirements for thickness. Can be. In particular, since the pitch between the slots in which the memory semiconductor modules of the server system are mounted is gradually reduced, when a plurality of memory semiconductor modules are mounted in the slots, spaces between the semiconductor modules are not afforded to reduce heat dissipation efficiency. do. In addition, there is a problem in that the temperature of the memory semiconductor module is increased because the air flow rate effect by the system cooling fan is lessened, thereby degrading the characteristics of the product.
따라서 본 발명의 목적은 동작 과정에서 발생되는 열에 의한 패키지 휨 발생 방지와 더불어 패키지 내에서 발생된 열을 효율적으로 방출시킬 수 있는 칩 스케일 패키지, 적층 패키지 및 반도체 모듈을 제공하는 데에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a chip scale package, a laminated package, and a semiconductor module capable of efficiently dissipating heat generated in a package while preventing package warpage caused by heat generated in an operation process.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지는, 중앙 부분에 관통구멍이 형성된 기판과; 본딩패드들이 칩 상면에 형성되어 있으며 관통 구멍에 본딩패드들이 노출되도록 기판에 부착된 반도체 칩과; 관통구멍을 경유하여 상기 반도체 칩과 기판을 전기적으로 연결시키는 본딩와이어들; 본딩와이어들과 그 접합 부분을 밀봉시키며 관통구멍 부분에 형성된 수지 성형부; 및 기판에 상기 반도체 칩이 부착된 면의 반대면에 부착되며 카본 파이버(Carbon Fiber)를 함유하는 재질로 이루어지며 열팽창계수가 -5~10ppm/℃이고 영스 모듈러스(Young's Modulus)가 80~150Gpa인 금속판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.Chip scale package according to the present invention for achieving the above object is a substrate with a through hole formed in the center; A semiconductor chip having bonding pads formed on an upper surface of the chip and attached to the substrate such that the bonding pads are exposed through the through hole; Bonding wires electrically connecting the semiconductor chip and the substrate via through holes; A resin molded part formed in the through-hole part to seal the bonding wires and the joining part thereof; And a material attached to the opposite side of the surface on which the semiconductor chip is attached to the substrate, and made of a material containing carbon fiber, having a coefficient of thermal expansion of -5 to 10 ppm / 占 폚 and a Young's Modulus of 80 to 150 Gpa. It characterized in that it comprises a; metal plate.
본 발명에 따른 칩 스케일 패키지에 있어서, 금속판은 반도체 칩 또는 수지 성형부에 부착되는 것이 바람직하다. 금속판은 캐버티(cavity)가 형성된 덮개 형태일 수 있다. 또는 금속판은 평판 형태일 수도 있는데, 이와 같은 경우 기판 상에 소정 높이로 댐(dam)이 형성되고 그 댐 상에 금속판이 부착되도록 한다. 또한 금속판은 캐버티가 형성된 형태로서, 측벽의 일부분이 기판을 관통하는 것일 수 있다. 또는 금속판은 평판 형태이고, 기판에는 고정핀이 기판을 관통하여 형성되어 있으며, 금속판이 고정핀에 부착된 것일 수 있다.In the chip scale package according to the present invention, the metal plate is preferably attached to the semiconductor chip or the resin molding. The metal plate may be in the form of a cover in which a cavity is formed. Alternatively, the metal plate may be in the form of a flat plate, in which case a dam is formed at a predetermined height on the substrate and the metal plate is attached to the dam. In addition, the metal plate is in the form of a cavity, a portion of the side wall may be through the substrate. Alternatively, the metal plate may have a flat plate shape, and a fixing pin may be formed through the substrate, and the metal plate may be attached to the fixing pin.
그리고 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적층 패키지는 중앙 부분에 관통구멍이 형성된 기판과, 본딩패드들이 칩 상면에 형성되어 있으며 관통구멍에 본딩패드들이 노출되도록 기판에 부착된 반도체 칩과, 관통구멍을 경유하여 반도체 칩과 기판을 전기적으로 연결시키는 본딩와이어들, 그 본딩와이어들과 그 접합 부분을 밀봉시키며 관통구멍 부분에 형성된 수지 성형부, 기판 상에 형성된 솔더 볼을 포함하는 복수의 단위 칩 스케일 패키지들을 가지며; 단위 칩 스케일 패키지 복수 개가 상부에 위치한 칩 스케일 패키지의 솔더 볼이 하부에 위치한 칩 스케 일 패키지의 기판에 부착되어 전기적인 연결과 물리적인 결합이 이루어져 적층되어 있으며, 단위 칩 스케일 패키지들 중 적어도 어느 하나에 카본 파이버를 함유하는 재질로 이루어지며 열팽창계수가 -5~10ppm/℃이며 영스 모듈러스(Young's Modulus)가 80~150Gpa인 금속판이 부착된 것을 특징으로 한다.In addition, the laminated package according to the present invention for achieving the above object is a substrate with a through hole formed in the center portion, the bonding pads are formed on the chip upper surface and the semiconductor chip attached to the substrate so that the bonding pads are exposed in the through holes, and through A plurality of unit chips including bonding wires electrically connecting the semiconductor chip and the substrate via holes, a resin molded portion formed in the through-hole portion to seal the bonding wires and the bonding portion thereof, and solder balls formed on the substrate; Have scale packages; The solder balls of the plurality of unit chip scale packages are attached to the substrate of the chip scale package located at the top of the unit chip scale package, and are electrically stacked and physically coupled to each other, and at least one of the unit chip scale packages is stacked. It is made of a material containing carbon fiber in the thermal expansion coefficient of -5 ~ 10ppm / ℃ and Young's Modulus (Young's Modulus) is characterized in that the metal plate is attached to 80 ~ 150Gpa.
본 발명에 따른 적층 패키지에 있어서 가장 상부에 위치하는 단위 칩 스케일 패키지는 솔더 볼 형성면의 반대면에 반도체 칩이 부착되어 있고 그 반도체의 칩에 평판 형태의 보호판이 부착되어 있는 것이 바람직하다.In the stacked package according to the present invention, it is preferable that the unit chip scale package located at the top has a semiconductor chip attached to the opposite side of the solder ball forming surface and a protective plate in the form of a flat plate attached to the chip of the semiconductor.
또한 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 모듈은, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 적층 패키지 복수 개가 모듈 기판에 실장된 것을 특징으로 한다.In addition, the semiconductor module according to the present invention for achieving the above object is characterized in that a plurality of laminated packages according to the present invention as described above is mounted on the module substrate.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하도록 한다. 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 도면의 명확한 이해를 돕기 위해 다소 과장되거나 개략적으로 도시되거나 또는 생략되었으며, 각 구성요소의 실제 크기가 전적으로 반영된 것은 아니다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the accompanying drawings, some of the components are somewhat exaggerated, schematically illustrated or omitted to facilitate a clear understanding of the drawings, and the actual size of each component is not entirely reflected.
도 10은 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지의 제1실시예를 나타낸 단면도이다.10 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a chip scale package according to the present invention.
도 10에 예시된 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지(100)는, 중앙부에 관통구멍(136)이 형성된 기판(135)과 센터패드형의 반도체 칩(131)을 포함하며 외부접속단자로서 솔더 볼(145)을 이용하는 BGA 형태로서, 기판(135)에 부착된 금속판(151)을 갖는 구조이다.
The
반도체 칩(131)은 관통구멍(136)에 본딩패드(132)들이 위치하도록 기판(135)의 일면에 부착된다. 반도체 칩(131)과 기판(135)은 관통구멍(136)을 경유하는 본딩와이어(141)에 의해 전기적으로 연결된다. 본딩와이어(141) 및 그 접합 부분은 관통구멍(136) 부분에 형성되는 수지 성형부(143)에 의해 밀봉된다. 기판(135)의 칩 실장면 가장자리에는 복수의 솔더 볼(145)이 형성되어 있다.The
기판(135)에서 반도체 칩(131)이 실장된 면의 반대면에는 금속판(151)이 부착되어 있다. 금속판(151)은 캐버티(152)가 형성되어 있는 형태로서 내주면이 수지 성형부(143)에 부착되어 있다.The
여기서 금속판(151)은 반도체 칩(131)과 열팽창계수 차이가 적으면서도 열전도 특성이 우수하며 또한 외부 사용 환경으로부터의 물리적인 충격에 보호될 수 있는 성질을 갖도록 하기 위해 카본 파이버를 함유하는 재질로 이루어지며, 열팽창계수가 10ppm 미만의 물성을 갖고 영스 모듈러스(Young's Modulus)가 반도체 칩과 같거나 큰 재질로 이루어진다. 바람직하게는 열팽창계수가 -5~10ppm/℃이며 영스 모듈러스(Young's Modulus)가 80~150Gpa가 되도록 한다.Here, the
아래의 표 1에서 알 수 있듯이 카본이 반도체 칩과 열팽창계수 차이가 적으며 영스 모듈러스가 우수한 물성값을 갖고 있기 때문에, 카본 파이버를 함유하는 금속판(151)은 반도체 칩(131)과 열팽창계수 차이가 적어 패키지 조립 및 신뢰성 검사 과정에서 온도 변화에 따른 휨 발생을 억제할 수 있고 열전도성이 우수하여 패키지 열 방출 특성을 향상시키는 기능을 동시에 수행할 수 있다.As can be seen in Table 1 below, since carbon has a small difference in thermal expansion coefficient from a semiconductor chip and a Young's modulus has excellent property values, the
도 11은 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지의 제2실시예를 나타낸 단면도이다.11 is a cross-sectional view showing a second embodiment of a chip scale package according to the present invention.
도 11에 예시된 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지(101)는 전술한 제1실시예와 유사한 구조로서 제1실시예와 달리 평판 형태의 금속판(153)을 갖는 예이다. 기판(135)에는 수지 성형부(143)보다 높은 위치에 금속판(153)이 위치하도록 댐(dam; 155)이 형성되어 있다. 그 댐(155) 상에 접착제(156)가 도포되어 금속판(153)이 부착되며, 이때 금속판(153)은 수지 성형부(143)에도 부착된다. 여기서 금속판(153) 역시 제1실시예에 따른 칩 스케일 패키지(100)의 금속판(152)과 같은 물성을 갖는다.The
도 12a와 도 12b는 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지의 제3실시예를 나타낸 단면도와 평면도이고, 도 13a와 도 13b는 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지의 제4실시예를 나타낸 단면도와 평면도이다.12A and 12B are a cross-sectional view and a plan view showing a third embodiment of a chip scale package according to the present invention, and FIGS. 13A and 13B are a cross-sectional view and a plan view showing a fourth embodiment of a chip scale package according to the present invention.
도 12a와 도 12b에 예시된 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지는 전술한 제1실시예와 유사한 구조로서, 제1실시예와 달리 금속판(157)이 기판(135)을 관통하여 결합되는 형태의 예이다. 기판(135)의 소정 위치에는 금속판(157)의 측벽(157a)이 일정 부분 관통되는 금속판 삽입구멍(137)이 형성되어 있으며, 금속판(157)의 측벽(157a)이 금속판 삽입구멍(137)에 삽입된 형태로 결합되어 있다. 그리고 금속판(157)의 측벽(157a)이 반도체 칩(131)의 측면에 밀착되어 있다. 금속판(157)이 기 판(135)을 관통하여 형성되는 형태로 체적 증가가 이루어져 있기 때문에 열 방출이 잘 이루어지게 된다. 또한 금속판(157)이 수지 형성부(143) 뿐만 아니라 반도체 칩(131)과 접촉됨으로써 열 방출이 원활하게 이루어짐과 동시에 휨의 발생이 억제된다.The chip scale package according to the present invention illustrated in FIGS. 12A and 12B has a structure similar to that of the first embodiment described above, and unlike the first embodiment, the
도 13a와 도 13b에 예시된 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지(103)는, 전술한 제3실시예의 칩 스케일 패키지(102)와 유사한 형태로서, 제3실시예와 달리 기판(135)에 관통구멍(136)을 중심으로 양쪽 주변부에 복수 개의 고정핀 삽입구멍(138)이 형성되어 있고, 고정핀(158a)이 그 고정핀 삽입구멍(138)에 삽입되어 있으며, 고정 핀(158a)의 상부에 평판 형태의 금속판(158)이 부착되어 있는 구조이다.The
고정핀(158a)이 기판(135)에 삽입되고 그 고정핀(158a)에 평판 형태의 금속판(158)이 부착되는 형태로 전술한 제3실시예의 칩 스케일 패키지(102)와 같이 원활한 열 방출이 이루어질 수 있으며 휨의 발생이 억제된다. 여기서, 고정핀(158a)의 재질, 고정핀(158a)과 고정핀 삽입구멍(138)의 수와 크기 등은 필요에 따라 변화될 수 있다.As the fixing
도 14와 도 15는 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지의 제5실시예와 제6실시예를 나타낸 단면도이다.14 and 15 are cross-sectional views showing a fifth embodiment and a sixth embodiment of a chip scale package according to the present invention.
도 14와 도 15에 예시된 칩 스케일 패키지들(104,105)은 전술한 실시예들과 달리 반도체 칩(131)이 기판(135) 상부에 부착되어 있고 칩 실장면의 반대쪽 면에 금속판(151,157)이 부착되어 있는 형태로서, 반도체 칩(131)의 배면 상에 열전도도가 우수한 금속 재질의 보호판(171,172)이 부착되어 있는 구조의 예이다. 도 14에 예시된 칩 스케일 패키지(104)는 캐버티(152)가 형성된 금속판(151)이 기판(135)상에 부착되어 있는 형태이고, 도 15에 예시된 칩 스케일 패키지(105)는 금속판(157)이 기판(135)을 관통하는 형태로서, 반도체 칩(131)뿐만 아니라 금속판(157)에도 보호판(172)이 부착되어 있다. 이에 의해 보다 열 방출이 원활하게 이루어지며 동시에 휨 발생이 억제됨과 더불어 물리적인 외부환경으로부터 반도체 칩이 보호될 수 있다.In the chip scale packages 104 and 105 illustrated in FIGS. 14 and 15, unlike the above-described embodiments, the
전술한 실시예들에서와 같이 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지는 열팽창계수와 영스 모듈러스가 반도체 칩과 같거나 우수하고 열전도도가 기판 또는 수지 성형부보다 높은 물리적 특성을 갖는 금속판이 반도체 칩과 수지 봉지부 및 기판 등에 부착됨으로써 금속판의 체적 증가에 의한 열 방출량 증가가 이루어져 열 방출이 원활하게 이루어질 수 있고, 열팽창계수가 반도체 칩과 유사하고 영스 모듈러스가 우수하기 때문에 패키지 휨의 발생이 크게 감소된다. 더욱이 금속판이 휨에 대한 물리적인 지지력을 제공함으로써 휨 발생이 더욱 방지된다. 이와 같은 칩 스케일 패키지는 신뢰성이 향상된 적층 패키지와 반도체 모듈 등의 제조에 이용되어 적층 패키지와 반도체 모듈의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.As in the above-described embodiments, the chip scale package according to the present invention is a metal plate in which the semiconductor chip and the resin encapsulation are formed of a metal plate having a coefficient of thermal expansion and Young's modulus equal to or better than that of the semiconductor chip and having a higher thermal conductivity than the substrate or the resin molded part. By adhering to the part and the substrate, the amount of heat dissipation is increased due to the increase in the volume of the metal plate, and heat dissipation can be smoothly achieved, and the occurrence of package warpage is greatly reduced because the coefficient of thermal expansion is similar to that of the semiconductor chip and the Young's modulus is excellent. Moreover, the occurrence of warpage is further prevented by the metal plate providing physical support for warpage. Such a chip scale package may be used to manufacture a multilayer package and a semiconductor module having improved reliability, thereby improving reliability of the multilayer package and a semiconductor module.
도 16은 본 발명에 따른 적층 패키지의 제1실시예를 나타낸 단면도이다.16 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a laminated package according to the present invention.
도 16에 예시된 적층 패키지(110)는 전술한 본 발명에 따른 제1실시예의 칩 스케일 패키지(100) 2개가 수직으로 적층되어 있는 구조이다. 칩 스케일 패키지들(100)은 상부에 위치한 칩 스케일 패키지의 솔더 볼(145)이 하부에 위치한 칩 스케일 패키지(100)의 기판(135)에 부착되어 전기적인 연결과 물리적인 결합이 이루어 진다. 각각의 칩 스케일 패키지(100)가 열 방출 특성이 향상되고 패키지 휨이 억제되는 구조이기 때문에, 이 적층 패키지(110)는 전체적으로 향상된 열 방출 특성을 가지며 휨 발생이 억제되어 신뢰성이 향상된다.The
도 17은 본 발명에 따른 적층 패키지의 제2실시예를 나타낸 단면도이다.17 is a cross-sectional view showing a second embodiment of a laminated package according to the present invention.
도 17에 예시된 적층 패키지(111)는 도 17의 적층 패키지(110)와 달리 각각의 칩 스케일 패키지(101)가 솔더 볼(145)이 형성된 면의 반대면에 반도체 칩(131)이 부착되어 있고, 가장 상부에 위치한 칩 스케일 패키지(101)의 반도체 칩(131) 상에 열전도도가 우수한 금속 재질의 보호판(173)이 부착된 구조이다. 금속판(153)과 더불어 보호판(173)에 의해 열 방출이 더욱 원활하게 이루어짐으로써 신뢰성이 향상된다.Unlike the
도 18은 본 발명에 따른 적층 패키지의 제3실시예를 나타낸 단면도이다.18 is a cross-sectional view showing a third embodiment of a laminated package according to the present invention.
도 18에 예시된 적층 패키지(112)는 전술한 본 발명에 따른 제3실시예의 칩 스케일 패키지(102) 2개가 수직으로 적층되어 구현되는 적층 패키지의 예이다. 각각의 단위 칩 스케일 패키지(102)들이 기판(135)을 관통하도록 하여 결합된 금속판(157)에 의해 열 방출 체적이 증가됨과 아울러 반도체 칩(131)과 접촉되어 열 방출이 더욱 원활하게 이루어져 신뢰성이 향상된다.The
도 19는 본 발명에 따른 적층 패키지의 제4실시예를 나타낸 단면도이다.19 is a sectional view showing a fourth embodiment of a laminated package according to the present invention.
도 19에 예시된 적층 패키지(113)는 각각의 제6실시예와 유사한 단위 칩 스케일 패키지(105) 복수 개가 적층되어 구현되는 적층 패키지의 예이다. 도 18의 적층 패키지(112) 구조와 달리 각각의 단위 칩 스케일 패키지(105)가 솔더 볼(145)이 형성된 면의 반대면에 반도체 칩(131)이 부착되어 있고, 가장 상부에 위치한 칩 스케일 패키지(105)의 반도체 칩(131)과 금속판(157) 상에 보호판(173)이 부착된 구조이다. 이 적층 패키지 역시 전술한 제3실시예와 마찬가지로 열 방출이 금속판(157) 뿐만 아니라 보호판(172)에 의해서도 이루어지므로 신뢰성이 향상된다.The
도 20은 본 발명에 따른 적층 패키지의 제5실시예를 나타낸 단면도이다.20 is a sectional view showing a fifth embodiment of the laminated package according to the present invention.
도 20에 예시된 본 발명에 따른 적층 패키지(114)는 제5실시예의 단위 칩 스케일 패키지(104)와 유사한 형태를 갖는 각각의 단위 칩 스케일 패키지(107)가 복수의 열을 이루는 솔더 볼(145)을 포함하는 구조이다. 입출력 핀 수가 많아 솔더 볼(145)의 개수가 증가된 경우에 적용할 수 있는 예이다.In the
도 21은 본 발명에 따른 적층 패키지의 제6실시예를 나타낸 단면도이다.21 is a sectional view showing a sixth embodiment of a laminated package according to the present invention.
도 21에 예시된 본 발명에 따른 적층 패키지(115)는 상부에 위치한 칩 스케일 패키지(108a)는 1열의 솔더 볼(145a)을 가지며 하부에 위치한 칩 스케일 패키지(108b) 3열의 솔더 볼(145b)을 갖는 구조이다. 이 적층 패키지(115)는 서로 다른 솔더 볼(145a,145b) 배치 구조 및 형상(직경, 높이 레이아웃, 위치)등을 갖는 칩 스케일 패키지(108a,108b) 복수 개가 적층된 예이다. 여기서 단위 칩 스케일 패키지(108a,108b) 중에서 상부에 위치한 단위 칩 스케일 패키지(108a)에 금속판(151)이 형성된다.In the
도 22는 본 발명에 따른 적층 패키지의 제7실시예를 나타낸 단면도이다.22 is a sectional view showing a seventh embodiment of a laminated package according to the present invention.
도 22에 예시된 적층 패키지(200)는 관통구멍이 형성되어 있지 않은 기판(235) 상에 플립 칩 본딩(flip chip bonding)으로 반도체 칩(231)이 실장된 구조의 단위 칩 스케일 패키지(200)들 2개가 적층된 예이다. 반도체 칩(231)이 솔더 볼(245)이 형성된 면에 부착되며, 칩 실장면의 반대쪽 면에 평판 형태의 금속판(251)이 부착된 구조이다.In the
도 23은 본 발명에 따른 적층 패키지의 제8실시예를 나타낸 단면도이다.23 is a sectional view showing an eighth embodiment of a laminated package according to the present invention.
도 23에 예시된 적층 패키지(310)는 서로 다른 종류의 칩 스케일 패키지들(301,302)이 수직으로 적층된 구조로서, 상부에 위치한 칩 스케일 패키지(301)는 기판(335) 상에 3개의 반도체 칩들(311a,311b,311c)이 적층된 적층 칩 패키지(stack chip package) 형태이다. 그리고 하부에 위치한 칩 스케일 패키지(302)는 관통구멍이 형성되지 않은 기판(335)의 솔더 볼(345)이 형성된 면에 반도체 칩(311d)이 플립 칩 본딩에 의해 실장되어 있는 형태이다.The
이 적층 패키지(310)는 상부에 위치한 칩 스케일 패키지(301)가 하부에 위치한 칩 스케일 패키지(302)의 기판(335) 상에 실장되어 있는데, 상부에 위치한 칩 스케일 패키지(301) 외측의 기판(335)에는 분리된 평판 형태의 금속판(351)이 부착되어 있는 구조이다. 이와 같은 적층 패키지(310)는 로직(logic)과 멀티 칩 패키지로 혼합된 시스템 인 패키지(system in package)의 예이기도 하다.The
도 24는 본 발명에 따른 반도체 모듈의 제1실시예를 나타낸 단면도이고, 도 25는 본 발명에 따른 반도체 모듈의 제2실시예를 나타낸 단면도이다.24 is a cross-sectional view showing a first embodiment of a semiconductor module according to the present invention, and FIG. 25 is a cross-sectional view showing a second embodiment of a semiconductor module according to the present invention.
도 24에 예시된 반도체 모듈(120)은 모듈 기판(161)의 양쪽 면에 각각 전술한 제1실시예의 적층 패키지(110)가 수평 방향으로 복수 개 실장된 구조의 예이다. 그리고 도 25에 예시된 본 발명에 따른 반도체 모듈(121)은 전술한 제5실시예의 적 층 패키지(107)가 모듈 기판의 양쪽 면에 각각 수평 방향으로 복수 개 실장된 구조이다.The
한편 본 발명에 따른 칩 스케일 패키지와 그를 이용한 적층 패키지 및 반도체 모듈은 전술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 중심사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다.Meanwhile, the chip scale package according to the present invention, the stack package and the semiconductor module using the same are not limited to the above-described embodiments and may be variously modified within a range not departing from the technical spirit of the present invention.
이상과 같은 본 발명에 따른 금속판을 갖는 칩 스케일 패키지와 그를 이용한 적층 패키지 및 반도체 모듈에 의하면, 반도체 칩이 부착된 기판의 반대면 또는 수지 성형부 상부에 열팽창계수와 영스 모듈러스가 반도체 칩과 같거나 우수하고 열전도도가 기판 또는 수지 성형부보다 높은 물리적 특성을 갖는 금속판을 부착시킴으로써 열 방출 특성이 향상됨과 아울러 패키지 휨이 방지될 수 있다. 따라서 칩 스케일 패키지와 그를 이용한 적층 패키지 및 반도체 모듈의 신뢰성이 향상된다.According to the chip scale package having the metal plate according to the present invention, the laminated package and the semiconductor module using the same, the coefficient of thermal expansion and Young's modulus on the opposite side of the substrate on which the semiconductor chip is attached or on the resin molded part is equal to the semiconductor chip By attaching a metal plate having superior physical conductivity and physical properties higher than that of the substrate or the resin molded part, heat dissipation characteristics can be improved and package warping can be prevented. Therefore, the reliability of the chip scale package, the stacked package and the semiconductor module using the same is improved.
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