KR20060081900A - 엠시엠 비지에이 패키지의 설계 방법 및 엠시엠 비지에이패키지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적층 세라믹 기판을 이용하는 볼 그리드 어레이 패키지를 설계하는 방법 및 상기 방법이 적용된 MCM BGA 패키지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 전원, 그라운드 평면쌍 배치 및 관통홀 기법을 이용하는 다중 칩 패키지 설계로서 커패시터를 내장하는 효과를 다중칩 구동으로 인한 잡음(noise) 감소에 응용하고 전도성 평면의 고른 분포로서 열 발생을 감소시키기 위한 방법 및 상기 방법이 구현된 MCM BGA 패키지에 관한 것이다. 본 발명에 따른 MCM BGA 패지키 설계 방법은 MCM BGA 패키지의 내부 적층 구조로부터 적어도 어느 두 개의 평면이 전원 평면 및 접지 평면 쌍을 형성하여 디커플링 커패시터로서 기능을 하도록 하고, 그리고 관통 비아는 전원 평면 또는 접지 평면과 접하거나 또는 관통하도록 하는 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명에 따른 배치 설계 방법은 내부 적층 평면에서 디커플링 커패시터를 형성함으로서 열 및 신호 전달 경로가 간단하게 만들어 지도록 한다. 이와 같은 단순한 열 및 신호 전달 경로는 노이즈의 발생을 감소시키고 아울러 열의 방출이 효율적으로 이루어지도록 한다.

MCM BGA 패키지, 관통비아, 디커플링 커패시터, 솔더 볼

Description

엠시엠 비지에이 패키지의 설계 방법 및 엠시엠 비지에이 패키지{A Method for Designing Layer Arrangement of Multi-Chip Module BGA Packge and a MCM BGA Package}

도 1은 종래의 플라스틱 볼 그리드 어레이를 도시한 것이다.

도 2a는 종래의 MCM BGA 패키지를 도시한 것이다.

도 2b는 종래의 MCM BGA 패키지에서 열 및 신호 전달 경로를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 MCM BGA 패키지 및 상기 패키지 내에 내장된 디커플링 커패시터를 도시한 것이다.

도 4a는 본 발명에 따른 BGA 패키지에서 두 개의 디커플링 커패시터가 형성된 형태를 도시한 것이다.

도 4b는 본 발명에 따른 MCM BGA 패키지에서 열 및 신호 전달 경로를 도시한 것이다.

<주요 도면 부호의 설명>

11 : 기판 12 : 칩 13 : 캡

15 : 와이어 16 : 볼 17 : 관통 비아

18 : 디커플링 커패시터

본 발명은 적층 세라믹 기판을 이용하는 볼 그리드 어레이 패키지(MCM BGA package)를 설계하는 방법 및 상기 방법이 적용된 MCM BGA 패키지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 전원, 그라운드 평면쌍 배치 및 관통홀 기법을 이용하는 다중칩 패키지 설계로서 커패시터를 내장하는 효과를 다중칩 구동으로 인한 잡음(noise) 감소에 응용하고 전도성 평면의 고른 분포로서 열 발생을 감소시키기 위한 방법 및 상기 방법이 구현된 MCM BGA 패키지에 관한 것이다.

반도체 패키지는 응용분야의 확대에 따라서 다양한 종류가 개발되었으며, 그 중에서도 반도체 패키지 분야에서 보편적으로 사용되는 것은 BGA(Ball Grid Array) 패키지, CSP(Chip Scale Package) 패키지, 플립 칩(Fiip Chip) 패키지 등이 보편적으로 사용된다. BGA 패키지는 멀티 칩 모듈 유형으로 구성할 수 있는 전자 모듈의 제조를 위해 인쇄 회로 기판(PCB)의 적층체를 기판으로 사용하고, 상기 모듈에는 마더 보드, 백 플레인, 응용 보드 등과의 전기적 접속을 위한 여러 개의 전도성 패드가 설치된다. PCB 위에서 전기적 접속은 볼 그리드 어레이로 명해지는 솔더 합금의 작은 볼을 이용한다. 일반적으로 상기 모듈은 유기 재료로 제조된 PCB 적층체를 사용하므로 플라스틱 볼 그리드 어레이(Plastic Ball Grid Arrays)로 명해진다. 상기 플라스틱 볼 그리드 어레이가 도 1에 도시되어 있다.

도 1에 도시된 것처럼, BGA 반도체 패키지는 기판(11), 칩(12) 및 캡(13)을 포함한다. 기판(11) 아래에는 전기적 접속을 위하여 전자 회로와 접촉 상태가 될 수 있도록 배치되는 솔더 볼(16)이 설치되고 그리고 기판의 서로 다른 전도성 층을 전기적으로 상호 접속하기 위한 관통 비아(Through via)(17)가 설치된다. 또한 칩과 기판(11)의 전기적 접속을 위하여 와이어(15)가 배선된다. 그리고 솔더 볼(16) 사이의 불필요한 결합으로 발생하는 노이즈 등을 제거하기 위하여 디커플링 커패시터(Decoupling Capacitor)(18)를 사용한다.

이와 같은 종래의 플라스틱 볼 그리드 어레이 패키지는 전기적 상호 접속을 위하여 관통 비아만을 이용하고 또한 FR4 재질만을 사용하기 때문에 열 및 노이즈에 취약하다는 단점을 가진다. 이러한 문제는 도 2a에 도시된 MCM(Multi-Chip Module) BGA 패키지의 경우에도 동일하게 발생한다. 여러 개의 기판(11a)은 서로 다른 위치에 형성된 관통 홀(17a)에 의하여 전기적 접속이 이루어지고 솔더 볼(16) 사이의 노이즈를 제거하기 위하여 디커플링 커패시터(18)가 설치된다. 도 2a에 도시된 MCM의 경우에는 다중 칩의 구동으로 인하여 열과 노이즈의 발생이 더욱 크게 된다. 관통 비아(17a)가 각각의 기판(11a) 내에서 서로 다른 위치에 형성되기 때문에 열 및 신호가 도 2b에 도시된 것과 같은 형태로 전달된다. 그러므로 MCM BGA 패키지의 경우 열 발생량과 노이즈의 발생이 더욱 크게 된다.

위와 같은 문제점을 해결하기 위한 공지된 발명으로는 대한민국 특허출원번호 제10-2001-0045709호 “반도체 패키지 및 그 제조방법”이 있다. 상기 발명은 기판의 주요 구성 요소, 즉 도전성 프레임 및 도전성 비아가 방열 성능이 우수한 구리 또는 알루미늄으로 형성함으로서 반도체 칩으로부터 열을 외부로 신속히 방출 시킬 수 있도록 한다. 또한 상기 발명은 넓은 도전성 프레임 자체를 그라운드용으로 사용할 수 있음으로써 기판의 회로 패턴에 발생하는 인턱던스를 대폭 줄일 수 있고, 이에 따라 칩과 마더보드 사이의 시그널 지연 시간을 축소시켜 BGA 패키지의 전기적 성능을 극대화시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 한다. 그러나 상기 발명은 MCM의 경우 적용하기가 어려우며 재료 선택에 의한 열의 방출 효과는 한계가 있다는 문제점을 가진다.

위와 같이 공지의 플라스틱 BGA 패키지는 반도체 소자(Wafer bare die)를 기판에 와이어 본딩하여 PCB에 실장 가능한 패키지를 만드는 것으로서 구동 중 전원에 발행하는 잡음 문제를 해결하기 위하여 패키지 외부의 디커플링 커패시터를 사용하였다. 그러나 다중칩 모듈 패키지는 단일 플라스틱 BGA 패키지와 달리 여러 개의 소자를 동일한 면적에 집적하고 있어 열 및 노이즈의 발생이 심하다. 그러므로 공지된 발명에서 개시된 수단으로는 해결되기 어렵다는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 MCM BGA 패키지에서 발생하는 열의 방출 및 노이즈의 발생 문제를 해결하기 위한 것으로서 아래와 같은 목적을 가진다.

본 발명의 목적은 접지 평면 쌍의 배치 및 관통 홀 기법을 이용하여 MCM BGA 패키지에서 열의 발생 및 노이즈를 제거할 수 있는 MCM BGA 패키지의 레이어 배치 및 비아 설계 방법을 제공하고, 접지 평면 쌍 및 서로 다른 기판 사이에 동일한 위치에 관통 비아가 형성된 MCM BGA 패키지를 제공하는 것이다.

아래에서 본 발명을 상세하게 실시 예로서 첨부된 도면을 이용하여 상세하게 설명한다. 제시된 실시 예는 예시적인 것이며 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

이와 같은 본 발명의 목적을 이루기 위하여 본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, MCM BGA 패키지의 내부 적층 구조로부터 적어도 어느 두 개의 평면이 전원 평면 및 접지 평면 쌍을 형성하여 디커플링 커패시터로서 기능을 하도록 하고, 그리고 관통 비아는 전원 평면 또는 접지 평면과 접하거나 또는 관통이 되도록 할 수 있다.

상기 디커플링 커패시터의 형성은 1 쌍 또는 적어도 2쌍이 될 수 있다.

상기 디커플링 커패시터를 형성하는 평면 중 적어도 하나는 공통 전원 공급 단자 또는 공통 접지 단자 면에 연결된 평면이 될 수 있다.

상기 관통 비아는 적어도 2개의 평면을 관통하도록 될 수 있다.

상기 전원 평면 및 접지 평면은 플라스틱 또는 세라믹 소재가 될 수 있다.

본 명세서를 통하여 "평면"이란 PCB 기판을 의미하거나 또는 필요에 따라 기판 사이에 형성된 디커플링 커패시터의 전극 면들 중의 어느 하나를 의미하는 것으로 사용된다.

도 3은 본 발명에 따른 MCM BGA 패키지(3) 및 상기 패키지 내에 내장된 디커플링 커패시터(38)를 도시한 것이다.

도 3에 도시된 것처럼 본 발명에 따른 MCM BGA 패키지(3)는 다수 층으로 형성된 PCB 기판(31), 다수 개의 반도체 칩(31) 및 캡(33)을 포함한다. PCB 기판(31)은 세라믹 또는 플라스틱 등과 같은 공지된 소재로 이루어질 수 있고, 반도체 칩(31)은 PCB 기판(31) 위에 적절한 위치에 설치된다. 또한 캡(33)은 반도체 칩(31)의 보호를 위한 것으로서 수지와 같은 공지된 소재로 이루어질 수 있다. PCB 기판(31)들 사이의 전기적 접속을 위하여 관통비아(37)가 형성되고 PCB 기판(31)의 하부에는 다른 디바이스, 예를 들어 마더보더와의 전기적 연결을 위한 솔더 볼(37)이 형성되어 있다. 디커플링 커패시터(38)는 기판(31)들 중의 어느 두 개의 평면을 이용하여 형성되어 기판(31)들 사이에 또는 반도체 칩(33)과 외부 기기 사이의 불필요한 전기적 결합을 방지하여 노이즈를 감소시킨다. 상기 디커플링 커패시터(38)의 형성은 예를 들어 MCM BGA 패키지의 적층구조에서 어느 두 개의 평면을 선택하고 하나의 평면은 전원 공급원의 단자와 연결시키고, 그리고 다른 하나의 평면은 접지 단자와 연결시키는 것을 말한다. 본 발명에 따른 MCM BGA 패키지(3)에서 디커플링 커패시터(38)는 기판(31)들 사이에 적층되는 형태로 배치된다. 디커플링 커패시터(38)는 띠 형태 또는 판 형태로 임의의 커패시터를 만드는 공지의 물질로서 형성될 수 있다. 일반적으로 반도체를 이용한 장치의 경우 내부의 동작 등에 의하여 공급 전원과 접지 전원 사이에 부하 저항의 변화가 발생하고, 이로 인하여 내부 전류 사이에 전류의 변화가 발생하게 된다. 이와 같은 공급 전원 및 접지 전원 사이의 잡음 제거를 위하여 공급 전원단과 접지 전원단 사이에 디커플링 커패시터를 형성하는 것이 유리하다. 그리고 이미 설명한 것처럼 공지의 MCM BGA 패키지 의 경우 상기 디커플링 커패시터는 칩의 가장 자리를 이용하거나 주변 위치에 설치하는 방법이 사용되어 왔다. 그러나 본 발명에 따른 MCM BGA 패키지에서는 디커플링 커패시터(38)가 여러 개의 기판(31) 사이에 적층되는 방식으로 형성된다. 본 발명에 따른 디커플링 커패시터(38)는 다른 장치에서 사용이 되는 디커플링 커패시터와 마찬가지로 하나의 단자는 전원 공급원 그리고 나머지 하나의 단자는 접지면에 연결될 수 있다.

본 발명에 따른 MCM BGA 패키지에서 관통비아(37)는 도 3에 도시된 것처럼 디커플링 커패시터(38)의 어느 한 면에 접하거나 또는 관통시키는 방법으로 설치될 수 있다. 공지된 BGA 패키지에서는 관통 비아는 각각의 기판을 관통하여 설치되고 서로 다른 위치에 설치된다. 그러나 본 발명에 따른 BAG 패키지에서는 도 3에 도시된 것처럼 두 개의 기판을 관통하여 디커플링 커패시터(37)의 어느 한 면, 예를 들어 전원 공급 단자와 연결된 면에 접하도록 설치될 수 있다. 또는 디커플링 커패시터(38)를 관통하여 다른 기판과 동일한 위치에서 설치될 수 있다. 본 발명에 따른 관통비아(37)의 설치는 BGA 패키지에 설치되는 관통 비아의 수를 줄일 수 있도록 하고 또한 노이즈를 효과적으로 감소시킬 수 있도록 한다. 또한 열 전달 경로를 짧게 만들 수 있게 함으로서 효율적으로 열을 방출할 수 있도록 한다. 그리고 도 3에 도시된 것처럼 관통 비아(37)에 연결된 솔더 볼(36)로부터의 열이 직접적으로 디커플링 커패시터(37)를 통하여 접지 면으로 전달되도록 함으로서 보다 효율적으로 열을 방출할 수 있도록 한다. 위와 같은 효율적인 열의 방출을 위하여 디커플링 커패시터(38)의 표면적은 넓은 것이 유리하다. 즉 판형 또는 플레이트 형으로 디커플링 커패시터(38)를 형성하는 경우 열 방출에 보다 유리하다. 본 발명에 따른 디커플링 커패시터(38)는 BGA 패키지에 하나 이상 설치될 수 있다.

도 4a는 본 발명에 따른 BGA 패키지(3a)에서 두 개의 디커플링 커패시터(38a, 38b)가 설치된 형태를 도시한 것이다.

도 4에 제시된 실시 형태는 도 3과 관련된 실시 형태와 비교할 때 두 개의 디커플링 커패시터(38a, 38b)가 사용되었다는 점에서만 차이가 난다. 도 4에 제시된 실시 형태에서는 네 개의 평면이 선택된다. 그리고 어느 두 개의 평면은 전원 공급원 단자와 각각 연결되고 다른 두개의 평면은 각각 접지 단자와 연결될 수 있다. 관통 비아(37)의 설치 형태는 도 3과 관련하여 설명한 것과 같다. 두 개의 디커플링 커패시터(38a, 38b)는 하나의 면이 전원 공급원 단자에 공통으로 연결되고 그리고 나머지 하나의 단자 각각은 공통 접지 면 또는 서로 다른 접지 면에 연결될 수 있다. 이와 같은 방법으로 디커플 커패시터(38a, 38b)를 형성하는 경우에는 세 개의 평면이 선택될 수도 있다. 즉 두 개의 평면이 각각 전원 공급원 단자와 연결되고 나머지 하나의 평면이 접지 단자와 연결될 수 있다. 디커플링 커패시터(38a, 38b)의 설치 개수는 MCM BGA 패키지(3a)의 크기 등을 고려하여 적절하게 결정될 수 있다. 또한 디커플링 커패시터의 용량 등도 MCM BGA 패키지(3a)에 따라서 적절하게 결정될 수 있다. 위와 같은 디커플링 커패시터(38a, 38b)의 개수 또는 용량 등은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 필요에 따라 설계 변형이 가능한 것이므로 본 발명의 범위는 이러한 것들에 의하여 제한되지 않는다.

이와 같이 본 발명에 따른 MCM BGA 패키지는 다중 패키지의 내부 적층 구조 에서 전원 평면과 접지 평면 쌍(Plane pair)으로 이루어진 디커플링 커패시터를 설치함으로서 MCM BGA 패키지에서 발생하는 노이즈를 감소시킬 수 있도록 한다. 또한 각각의 평면은 아래쪽 솔더 볼과 직접 연결된 관통 비아를 수직으로 적층하여 패키지에서 발생하는 열을 최소 경로를 통하여 방출되도록 한다. 이와 같은 본 발명에 따른 MCM BGA 패키지의 신호 전달 경로가 도 4a에 도시되어 있다.

도 4a에 도시된 것처럼 본 발명에 따른 MCM BGA 패키지에서의 신호 전달 경로는 도 2a의 공지된 MCM BGA 패키지와 비교할 때 단순한 형태로 이루어진다는 것을 알 수 있다. 일반적으로 신호는 전달 경로가 짧을수록 노이즈가 적게 발생하고, 열은 전달 경로가 짧고 그리고 전달 면적이 넓을수록 효율적으로 방출될 수 있다. 그러므로 본 발명에 따른 MCM BGA 패키지에서는 내부 적층 평면에서 디커플링 커패시터를 형성함으로서 신호 및 열 전달 경로를 단순하게 만드는 것이 가능하도록 한다. 또한 본 발명에 따른 MCM BGA 패키지에서 필요에 따라 상기 평면 쌍은 하나 이상 형성될 수 있다.

위에서 제시된 실시 예로서 첨부된 도면을 이용하여 본 발명에 따른 디커플링 커패시터를 구비한 MCM BGA 패키지의 레이어 배치 방법 및 관통 비아의 설계 방법에 대하여 상세하게 설명하였다. 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예로부터 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있으며, 본 발명의 범위는 이러한 수정 및 변형 발명에 의하여 제한되지 않으며, 다만 아래에 첨부된 특허청구범위에 의하여 제한될 뿐이다.

본 발명에 따른 MCM BGA 패키지는 내부 적층 평면에서 디커플링 커패시터를 형성함으로서 열 및 신호 전달 경로가 간단하게 형성되도록 한다. 이와 같은 단순한 열 및 신호 전달 경로는 노이즈의 발생을 감소시키고 아울러 열의 방출이 효율적으로 이루어지도록 한다.

Claims (11)

1. MCM BGA 패키지의 배치 설계 방법에 있어서,

   MCM BGA 패키지의 내부 적층 구조로부터 적어도 어느 두 개의 평면이 전원 평면 및 접지 평면 쌍을 형성하여 디커플링 커패시터로서 기능을 하도록 하고, 그리고 관통 비아는 전원 평면 또는 접지 평면과 접하거나 또는 관통하도록 하는 것을 특징으로 하는 배치 설계 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 디커플링 커패시터의 형성은 1 쌍이 되는 것을 특징으로 하는 배치 설계 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 디커플링 커패시터의 형성은 적어도 2 쌍이 되는 것을 특징으로 하는 배치 설계 방법.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 디커플링 커패시터를 형성하는 평면 중 적어도 하나는 공통 전원 공급 단자 또는 공통 접지 단자 면에 연결된 평면이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 배치 설계 방법.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 관통 비아는 적어도 2개의 평면을 관통하도록 된 것을 특징으로 하는 배치 설계 방법.
6. MCM BGA 패키지에 있어서,

   적층 구조 내부의 적어도 어느 두 개의 평면이 전원 평면 및 접지 평면으로서 디커플링 커패시터로 형성이 되고, 그리고 관통 비아가 상기 전원 평면 또는 접지 평면과 접하거나 또는 관통하도록 된 것을 특징으로 하는 MCM BGA 패키지.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 디커플링 커패시터는 1쌍이 되는 것을 특징으로 하는 MCM BGA 패키지.
8. 청구항 6에 있어서, 상기 디커플링 커패시터는 2쌍이 되는 것을 특징으로 하는 MCM BGA 패키지.
9. 청구항 6에 있어서, 상기 디커플링 커패시터를 형성하는 평면 중 적어도 하나는 공통 전원 공급 단자 또는 공통 접지 단자 면에 연결된 평면이 되는 것을 특징으로 하는 MCM BGA 패키지.
10. 청구항 6에 있어서, 상기 관통 비아는 적어도 두 개의 평면을 관통하는 것을 특징으로 하는 MCM BGA 패키지.
11. 청구항 6에 있어서, 상기 전원 평면 및 접지 평면은 플라스틱 또는 세라믹 소재가 되는 것을 특징으로 하는 MCM BGA 패키지.

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