KR20160009653A - 방사선 경화 마이크로전자 칩 패키징 기술 - Google Patents

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철 박
루크 기번스
쉴라 에이. 티볼트
샤론 이. 로우더
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Abstract

새로운 방사선 경화 칩 패키지 기술은 고에너지 방사선에 대한 항공/우주 또는 지상 장치 중의 마이크로전자 칩 및 시스템을 보호한다. 희토류 원소 및 다중레이어 구조를 사용하는 방사선 경화 칩 패키지의 제안된 기술은 알파 및 베타 입자에서부터 중성자 및 고에너지 전자기 방사선까지의 방사선 충격에 대한 보호를 제공한다.

Description

방사선 경화 마이크로전자 칩 패키징 기술 {Radiation hardened Microelectronic Chip Packaging Technology}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2013년 5월 16일자 미국 가출원번호 제 61/855,488호 "방사선 경화 마이크로전자 칩 패키징 기술"의 우선권을 주장한다.
연방 후원 연구 또는 개발에 따른 선언
본 명세서에 기술된 발명은 NASA 협력 계약 하의 작업의 수행에서 및 미국 정부의 피고용자들에 의해 이루어졌으며 미공법 96-517 (제35 U.S.C. § 202호)의 범주에 속하며 미국 정부에 의해 또는 미국 정부를 위해 공공 목적으로 이에 따른 로열티를 지불하지 않고 제조되고 사용될 수 있다. 제35 U.S.C. § 202호에 따르면, 협력 계약의 당사자는 타이틀을 보유하도록 선택된다.
발명 분야
본 발명은 경화된 칩 패키지 기술 및 더욱 구체적으로 고에너지 방사선에 대한 경화 칩 패키지 기술에 관련된다.
첨부된 참고문헌 목록에 나열된 모든 참고문헌은 본 명세서에 참고로서 포함되지만, 상기 각각의 문헌에 대해, 참고로서 포함된 그러한 정보 또는 언급이 본 특허출원/본 발명(들)과 일치한다고 간주될 수 있을 정도까지, 그러한 언급은 분명하게 본 출원인(들)에 의해 만들어진 것으로 여겨지지 않는다. 명세서 아래의 괄호 안의 참조 번호는 첨부된 참고문헌 목록을 가리킨다.
고에너지 방사선은 우주 환경에서 편재하며 마이크로전자 장치에 계산 및 메모리 오류를 야기할 수 있다 (도 1) [참고문헌 1]. 게다가, 마이크로전자 회로 칩의 집적화 및 밀도의 증가와 함께, 점점 작아지는 트랜지스터는 고에너지 방사선 또는 고에너지 입자, 예컨대 중이온, 양성자, 알파 입자, 및 중성자가 장치 구조물을 통과할 때 유발될 수 있는 치명적인 불량 메커니즘에 더욱 취약하다.
본 발명은 우주 탐사 및 높은 고도 비행 동안의 고에너지 방사선에 대한 항공 전자 장치를 보호하는 방사선 경화 칩 패키징 기술을 제공한다. 방사선 손상을 줄이기 위한 수 차례 시도, 예컨대 소프트 에러를 보정하기 위한 새로운 논리 설계 및 게이트 전하를 증가시키기 위한 물리적 설계가 존재했다 [참고문헌 2 및 3]. 그러나, 이러한 방법은 마이크로 전자 칩의 추가적인 부피 증가를 필요로 하고 결과적으로 더 높은 전력 소모를 필요로 하며, 이는 장치의 크기 및 기능을 제한한다. 이에 따라, 긴 시간, 더 높은 비용, 및 방사선 경화 칩의 현재 스타일의 별도 디자인 및 제조가 요구되는 제한된 시장으로 인해 항공 우주 산업에 사용되는 특수 마이크로칩의 구현이 지연되었다. 공교롭게도, 이러한 새로운 구성은 방사선 손상에 대한 확실한 보호를 약속할 수 없다. 다른 방법은 패키징 물질로서 방사선 차폐재를 활용한다 [참고문헌 4 및 5]. 그러나, 이들 방법은 다양한 방사선원(radiation source)으로부터 보호할 수 없다. 또한, 복잡한 공정은 설비에 추가적인 투자 없이 반도체 칩 제조에 있어 이러한 기술의 사용을 가로막는다.
본 발명의 주요 목적은 알파 입자 및 중성자에서부터 고에너지 전자기 방사선까지 다양한 방사선원으로부터 보호하기 위해 마이크로전자 회로 칩의 임의의 구조에 적용될 수 있는 희토류 원소/고분자 복합재의 다중-레이어 구조로 이루어진 효율적인 차폐 패키징을 제공하는 것이다.
본 발명의 복적은 현재의 반도체 칩 패키징 공정에 적용될 수 있는 방사선 경화 칩 패키징 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 복적은 방사선 경화 패키징 물질로 제조된 센서 및 액츄에이터 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 복적은 방사선 경화 패키징 물질로 제조된 마이크로프로세서 및 메모리 칩을 제공하는 것이다.
본 발명의 복적은 방사선 경화 패키징 물질로 제조된 전자 및 광전자 부품을 제공하는 것이다.
본 발명의 복적은 방사선 경화 패키징 기술에 의해 보호된 전자 및 전기 시스템을 제공하는 것이다.
마지막으로, 본 발명의 목적은 단순하고 비용 효과적인 방식으로 전술한 목적을 달성하는 것이다.
본 발명의 상기 및 추가적인 목적, 세부 내용 및 장점은 첨부된 도면을 참고하여 다음의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 회로 칩을 위한 경화 칩 패키지 형성 방법을 제공함으로써 이러한 요구를 해결한다. 회로 칩은 알파 입자 차폐 재료로 먼저 코팅되고; 이후 알파 입자 차폐 재료는 고에너지 입자 차폐 복합 재료로 코팅되고; 이후 고에너지 입자 차폐 복합 재료는 고에너지 전자기 (EM) 파 차폐 복합 재료로 코팅되어, 코팅된 회로 칩을 형성하고; 마지막으로, 코팅된 회로 칩, 알파 입자 차폐 재료, 고에너지 입자 차폐 복합 재료 및 고에너지 EM 파 차폐 복합 재료는 몰딩 화합물로 캡슐화된다. 필요한 경우, 배선의 부착을 위해 홀이 알파 입자 차폐 재료 코팅에 에칭된다. 추가적인 대안의 구체예는, 고에너지 EM 파 차폐 복합 재료로의 코팅 단계 이후, 배선의 부착을 위해 알파 입자 차폐 재료 코팅, 고에너지 입자 차폐 복합 재료 및 고에너지 EM 파 차폐 복합 재료에 홀을 에칭하는 것이다. 코딩된 회로 칩은 복수의 다이로 절단될 수 있고, 다이 각각은 패드에 부착되고; 배선은 코팅된 회로 칩에 부착된다. 알파 입자 차폐 재료는 바람직하게 기본(pristine) 폴리이미드이며 더욱 바람직하게는 폴리이미드를 포함하는 실록산이다. 고에너지 입자 차폐 복합 재료는 바람직하게 가돌리늄/폴리이미드 복합재이며, 더욱 바람직하게는, 5 wt% Gd인 가돌리늄/폴리이미드 복합재이다. 고에너지 전자기 (EM) 파 차폐 복합 재료는 바람직하게 희토류 원소이고, 더욱 바람직하게는 전도성 입자를 가지는 복합재 또는 탄소 나노 튜브를 가지는 복합재의 레이어드된 필름을 추가로 포함한다. 대안으로, 고에너지 EM 파 차폐 복합 재료 은(silver)이 주입될 수 있다. 제1항의 방법에 따라 제조된 회로 칩을 위한 경화 칩 패키지가 개시된다.
본 발명의 주제 및 이의 장점의 더 자세한 이해가 하기의 첨부된 도면을 언급하는 상세한 설명을 참고로 하여 성취될 수 있으며, 도면에서:
도 1 마이크로전자 칩의 방사선 손상을 나타내고;
도 2a는 방사선 경화 마이크로전자 칩 패키징의 모식도이고;
도 2b는 방사선 경화 마이크로전자 칩 패키징의 모식도이고 여기서 레이어 L2 및 L3 는 배선이 L1만 관통하기 하도록 에칭된다;
도 3a는 방사선 경화 칩 패키지 공정의 도식이고;
도 3b는 웨이퍼 레벨 차폐를 위한 공정을 나타내고;
도 4는 가돌리늄 /폴리이미드 복합재의 X-선 회절 패턴을 나타내고;
도 5는 가돌리늄 /폴리이미드 복합재의 방사선 차폐 효과를 나타낸다.
구성 요소 목록
10 집적 회로 다이
12 알파 입자 차폐 (L1)
14 고에너지 입자 (p,n, 등) 차폐 (L2)
16 고에너지 EM 차폐 (L3)
18 절연성 몰딩 화합물 (L4)
20 배선
22 솔더 볼(Solder balls)
24 방사선 경화 기술을 적용한 볼 그리드 어레이 칩 스케일 패키지
26 크로스 토크를 최소화하기 위해 변형된 방사선 경화 기술을 적용한 볼 그리드 어레이 칩 스케일 패키지
하기의 상세한 설명은 본 발명을 실시하는 현재 가장 고려되는 방식이다. 이러한 설명은 제한적인 의미로 받아들여져서는 안되며, 단지 본 발명의 구체예의 일반적인 원리를 예시하기 위한 목적을 위해 제공되는 것이다. 본 발명의 구체예 및 이의 다양한 특징 및 유리한 세부 사항은 첨부된 도면에서 설명되고 및/또는 예시된 그리고 하기 설명에 제시된 비-제한적인 구체예와 실시예를 참고로 더 자세히 설명된다. 도면에서 예시된 특징은 반드시 일정한 비율로 제시된 것이 아니며, 본 명세서에서 명확히 언급되어 있지 않더라도, 당업자는 알 수 있는 바와 같이 한 구체예의 특징을 다른 구체예에 적용할 수 있음에 유의해야 한다. 공지된 성분 및 기술의 설명은 발명을 모호하게 하지 않기 위해 삭제될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 실시예는 단지 본 발명이 실시될 수 있는 방법의 이해를 돕고 그리고 더 나아가 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 의도된다. 따라서, 본 명세서에 제시된 실시예 및 구체예는 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다. 게다가, 동일한 참조 번호는 여러 도면에 걸쳐 유사한 부분을 나타냄에 유의한다.
도 2a에 나타난 바와 같이, 본 발명의 기술은 알파 입자 및 중성자에서부터 고에너지 전자기 방사선까지의 다양한 방사선원으로부터 보호를 제공하기 위하여 마이크로전자 회로 칩의 임의의 구조에 적용될 수 있는 희토류 원소/고분자 복합재의 다중-레이어 구조를 사용한다. 볼 그리드 어레이 칩 스케일 패키지 (24)가 도 2a에서 사용되지만, 이러한 기술은 제한되지 않으며 다른 패키징 기술, 예컨대 쿼드 플랫 패키지(quad flat package), 소형 패키지(small outline package), 얇은 소형 패키지(thin small outline package), 플립 칩 패키지(flip chip package), 이중 인 라인 패키지(dual in line package), 멀티칩 모듈 패키지(multichip module package), 플랫 팩 패키지(flat pack package) 또는 지그-재그 인-라인 패키지(zig-zag in-line package)에 적용될 수 있다.
바람직한 방법은 고성능 패키지 절연체를 사용하여, 회로 칩을 포함하는 장치를 차폐하는 것이다. 칩 표면에 걸쳐 배치된 폴리이미드 코팅은 대략 최대 9 MeV의 에너지를 가지는 알파 입자를 차단하고, 희토류 원소, 예컨대 가돌리늄 및 사마륨은 높은 고도의 방사선, 은하 우주 광선 (GCRs), 및 태양 입자 사건 (SPEs)으로부터 보호를 제공한다. 희토류 원소 Gd157의 중성자 흡수 단면적은 2.59×105 barns이며, 중성자 흡수체로 널리 고려되는 B10 의 중성자 흡수 단면적(3.84×103 barns) 보다 2 차수 높다. 특히, Gd157은 회로에서 중성자에 의해 조사된 방사선 소프트 에러의 공급원 중 하나인 알파 입자의 이차 핵분열 부산물을 생성하지 않는다.
도 3a는 방사선 경화 칩 패키징을 생성하는 공정 또는 기술을 기재한다. 먼저, 웨이퍼 레벨 차폐 또는 다이 레벨 차폐의 차폐 패키징 방법을 결정한다. 두 번째로, 알파 입자 차폐 레이어 (L1) (12)가 도 2a에 나타난 바와 같이 알파 입자로부터 보호하기 위해 베어 웨이퍼 또는 다이 (10) 상에 코팅된다(선행 기술). 임의의 알파 입자 차폐 재료, 예컨대 Gd 또는 CNT를 포함하는 것이 아닌 기본 폴리이미드가 더 나은 접착 특성에 대하여 만족스러움에도 불구하고, 폴리이미드를 포함하는 실록산이 바람직하다. 세 번째로, 고에너지 입자 (양성자, 중성자, 등) 차폐 복합 재료 (L2) (14)가 L1 (12) 상에 코팅된다. 네 번째로, 고에너지 전자기 파 차폐 복합 재료 (L3) (16) 가L2 (14) 상에 코팅된다. 다섯번 째로, 코팅된 차폐 레이어는 필요한 경우 배선 (20)을 위한 홀을 가지기 위해 에칭된다. 코팅된 L2 (14) 또는 L3 (16)은 크로스 토크 (26)를 최소화하기 위해 변형된 방사선 경화 기술을 적용한 볼 그리드 어레이 칩 스케일 패키지 상에서 도 2b에 나타난 바와 같이 배선 (20) 사이의 크로스 토크 문제를 최소화하기 위해 에칭되거나 부분적으로 코팅된다. 웨이퍼는 필요한 경우 다이로 절단되고 데이터 전송을 위하여 리드 프레임 또는 패드상에서 배선 (20)로 부착된다. 마지막으로, 설명된 다중레이어 차폐로 코팅된 다이는 적절한 몰딩 화합물, 예컨대 에폭시 몰딩 화합물, (L4) (18)로 캡슐화된다. 종래의 몰딩 화합물이 L4 (18)로 사용될 수 있으나, 더욱 효율적인 차폐를 위하여 방사선 경화 레진 또한 L4 (18)로서 사용될 수 있다. 도 3b는 웨이퍼 레벨 차폐를 위한 공정을 나타낸다.
가돌리늄/폴리이미드 복합재는 고에너지 입자로부터 칩을 차폐하는 레이어 (L2) (14)의 바람직한 후보 물질이다. 가돌리늄/폴리이미드는 바람직하게 인-시튜(in-situ) 중합에 의해 제조된다. 도 4는 폴리이미드 매트릭스 내의 가돌리늄 옥사이드 (Gd2O3)의 입방 결정 구조를 나타낸다.
도 5는 기본 폴리에틸렌, 기본 폴리이미드, 보레이티드 폴리이미드(borated polyimide) (30 wt% hBN) 및 5 wt% Gd을 포함하는 폴리이미드 복합재에 대한 중성자 단면적을 나타낸다. 단면적은 LaRC 1 Ci 아메리슘-베릴륨 중성자 공급원 (폴리에틸렌 블록에 의해 감속됨)을 사용하여 획득되었다. 도 5로부터 Gd/폴리이미드 복합재는 이를 바람직한 차폐 재료로 만드는 가장 큰 중성자 단면적을 가지는 것을 볼 수 있다. Gd 복합재는 폴리에틸렌과 비교하여 약 49700 barns의 Gd의 큰 중성자 흡수 단면적으로 인해 3240% 더 높은 차폐 효과를 나타낸다. 게다가 효과적인 차폐는 낮은 Gd 로딩 (5 wt%)에서 획득되어 재료가 이의 가요성(flexibility), 가공성(processibility) 및 폴리이미드 매트릭스의 사용에서 발생하는 다른 원하는 특성을 유지함을 보장한다. hBN과 비교할 수 있는 차폐는 30 wt% 필러 함량을 요구한다.
희토류 원소의 자기적 특성은 칩으로의 추가적인 전자기 파 전파를 효율적으로 차단한다. 또한, 전도성 입자 또는 탄소 나노튜브로 복합재의 추가적인 필름을 레이어링함으로써, EMI 차폐 효과는 전도성 표피 효과를 통해 강화될 수 있다. 기본 폴리이미드와 비교하여, 1% 탄소 나노튜브/폴리이미드 복합재 필름은 10 GHz에서 차폐 효과 (3dB)에서의 약 400% 증가를 나타냈다. 추가적인 은 주입은 기본 폴리이미드와 비교하여 약 480%까지 차폐 효과를 강화하였다.
메모리 칩의 방사선 경화 테스트를 방사선 시설 실험실에서 수행하였다. 메모리 테스터는 적절한 차폐를 갖춘 열 중성자원 (중성자를 감속하기 위해 폴리에틸렌에 블록에 의해 둘러 쌓인 A 1 Ci Am/Be 공급원) 바로 옆에 설치하였다. 방사선 경화 복합재 코팅을 하였거나/하지 않은 비-휘발성 플래쉬 메모리 칩 (NAND Flash)을 메모리 테스터의 홀더에 부착하고 중성자 조사에 노출하는 동안 실시간으로 특징지었다. 방사선 경화 복합재 코팅 없이는, 불량률이 5 일간 노출 동안 1.14×10-7 /bit/hour이었다. 가돌리늄/폴리이미드 복합재 필름 차폐 (약 37 mm 두께)을 가지는 경우, 불량률은 8.49×10-11 /bit/hour이었고, 이는 불량에 있어 100,000% 감소를 나타냈다.
각각의 레이어가 중성자, 양성자, 알파 입자, 및 고에너지 전자기 방사선과 같은 각각의 방사선원으로부터 보호할 수 있도록 새로운 다중레이어 구조가 설계되었다.
본 발명은 우주 임무를 포함한 모든 비행 체제에 적용 가능한 지식, 데이터, 및 설계 도구를 생성한다. 뿐만 아니라, 방사선 경화 패키징 물질의 사용은 가혹한 환경에 센서 및/또는 계기의 배치를 허용하여 데이터가 차량 성능의 정량화를 위해 획득되도록 한다. 이러한 기술이 희토류 나노 구조 고분자 복합재의 칩 스케일 패키징을 가지는 방사선 차폐를 포함하기 때문에, 이는 또한 이온화 방사선 영향 위험 관리에 기여하고, 발전된 기술의 결과는 우주 탐사 차량 시스템, 예컨대 핵 동력 시스템 및 고질량 화성 진입 시스템에 이점을 가진다. 게다가, 이러한 기술은 이러한 기술은 전자 방사선 샤워(radiation shower)에 대하여 핵 사고 또는 핵 전쟁으로부터 전자 장치를 보호한다.
명백하게, 많은 변형이 본 발명의 기본 사상으로부터 벗어나지 않고 만들어질 수 있다. 따라서, 당해 분야의 숙련가는 첨부된 청구범위의 범위 내에서, 본 발명이 구체적으로 본 명세서에 기술되어 있는 것과 다르게 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 본 명세서에 기술되고 이어지는 청구범위에서 정의되는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않는 많은 개선, 변형, 및 부가는 당업자에게 명백할 것이다.
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[참고문헌 4] M. Sono, US patent 4,661,837
[참고문헌 5] D Czajkowski et al., US patent 5,880,403

Claims (12)

  1. 다음을 포함하는 회로 칩을 위한 경화 칩 패키지 형성 방법:
    회로 칩을 제공하는 단계;
    알파 입자 차폐 재료로 회로 칩을 코팅하는 단계;
    알파 입자 차폐 재료를 고에너지 입자 차폐 복합 재료로 코팅하는 단계;
    고에너지 입자 차폐 복합 재료를 고에너지 전자기 (EM) 파 차폐 복합 재료를 코팅하는 단계, 여기서 코팅된 회로 칩이 형성되고;
    코팅된 회로 칩, 알파 입자 차폐 재료, 고에너지 입자 차폐 복합 재료 및 고에너지 EM 파 차폐 복합 재료를 몰딩 화합물로 캡슐화하는 단계.
  2. 제1항에 있어서, 알파 입자 차폐 재료로 코팅하는 단계 이후 다음을 추가로 포함하는 방법:
    배선의 부착을 위하여 알파 입자 차폐 재료 코팅에 홀을 에칭하는 단계.
  3. 제1항에 있어서, 고에너지 EM 파 차폐 복합 재료로 코팅하는 단계 이후 다음을 추가로 포함하는 방법:
    배선의 부착을 위하여 알파 입자 차폐 재료 코팅, 고에너지 입자 차폐 복합 재료 및 고에너지 EM 파 차폐 복합 재료에 홀을 에칭하는 단계;
    코팅된 회로 칩을 복수의 다이로 절단하는 단계;
    각각의 다수의 다이를 패드로 부착하는 단계;
    적어도 하나의 와이어를 회로 칩에 부착하는 단계.
  4. 제1항에 있어서, 알파 입자 차폐 재료는 기본 폴리이미드인 방법.
  5. 제1항에 있어서, 알파 입자 차폐 재료는 폴리이미드를 포함하는 실록산인 방법.
  6. 제1항에 있어서, 고에너지 입자 차폐 복합 재료는 가돌리늄/폴리이미드 복합재인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 고에너지 입자 차폐 복합 재료는 가돌리늄/폴리이미드 복합재이며 이는 5 wt% Gd인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 고에너지 전자기 (EM) 파 차폐 복합 재료는 희토류 원소.
  9. 제1항에 있어서, 고에너지 EM 파 차폐 복합 재료 코팅 단계는 복합재의 필름을 전도성 입자로 레이어링하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 고에너지 EM 파 차폐 복합 재료 코팅 단계는 복합재의 필름을 탄소 나노튜브로 레이어링하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 고에너지 EM 파 차폐 복합 재료 코팅 단계는 고에너지 EM 파 차폐 복합 재료에 은을 주입하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 제1항의 방법에 따라 제조된 회로 칩을 위한 경화 칩 패키지.
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