KR20160112345A - 반도체 칩 - Google Patents

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KR20160112345A
KR20160112345A KR1020150037959A KR20150037959A KR20160112345A KR 20160112345 A KR20160112345 A KR 20160112345A KR 1020150037959 A KR1020150037959 A KR 1020150037959A KR 20150037959 A KR20150037959 A KR 20150037959A KR 20160112345 A KR20160112345 A KR 20160112345A
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bending prevention
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resist layer
semiconductor chip
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KR1020150037959A
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신웅희
김종립
이두한
조성환
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삼성전기주식회사
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Abstract

본 발명은, 몸체부와, 상기 몸체부의 표면에 형성된 비아 및 상기 비아 내부에 형성된 충진부를 포함하는 휨방지 부재를 포함하는 반도체 칩을 제시한다.

Description

반도체 칩{SEMICONDUCTOR CHIP}
본 발명은 반도체 칩에 관한 것으로, 보다 상세하게는 휨 방지 및 방열 특성이 우수한 반도체 칩에 관한 것이다.
최근, 전자 제품들의 경량화, 소형화, 고속화, 다기능화, 고성능화 등의 추세에 따라 이들 전자 제품 내에 탑재되는 반도체 칩들에 대해서도 높은 신뢰성이 요구되고 있다.
이에 따라, 반도체 칩을 먼지, 습기, 기계적 부하 등의 각종 외부 환경으로부터 보호하는 동시에 반도체 칩의 전기적 성능을 최적화 및 극대화하기 위하여, 리드 프레임이나 인쇄회로기판(Printed Circuit Board) 등을 이용해 메인보드로의 신호 입/출력 단자를 형성하고, 봉지재를 이용하여 몰딩한 반도체 패키지에 대한 수요가 점차 증가하고 있다.
일반적으로, 반도체 패키지는 표면 실장 기술(SMT, Surface Mount Technology)을 통해 인쇄회로기판과 같은 패키지 기판의 적어도 일면에 반도체 칩이 평면적으로 실장된 반도체 모듈로서 제공되고 있다(특허문헌 1 참조).
이때, 반도체 칩에 휨이나 변형이 발생하면, 패키지 기판 상에 실장이 어려워지거나 불가능하게 된다. 특히, 반도체 칩의 이면에 설치된 볼 그리드 어레이(Ball Grid Array;BGA)를 통해 실장이 이루어지는 경우, 땜납 볼의 일부가 패키지 기판에 접속되지 않는 불량이 발생하는 경우가 있다.
이에 따라, 반도체 칩의 휨 현상을 최소화하기 위한 연구가 절실히 요구되고 있는 실정이다.
특허문헌 1: 한국 공개특허공보 제 2000-0045241호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반도체 칩에 휨방지 수단이 되는 구조물을 설계함으로써 제조 과정에서 칩이 휘어지는 것을 방지하고, 이에 따라 패키지 기판에 대한 실장성이 우수한 반도체 칩을 제공하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명은 제1 실시예로서, 몸체부와, 상기 몸체부의 표면, 구체적으로 실장면으로 제공되는 표면의 반대편 표면에 형성된 비아, 그리고 상기 비아 내부에 형성된 충진부를 구성요소로 포함하되 상기 몸체부보다 더 큰 열팽창계수를 갖는 휨방지 부재를 포함하는 반도체 칩을 제공한다.
여기서, 상기 휨방지 부재는 상기 몸체부에서 상기 비아가 형성된 표면을 덮는 표면부를 구성요소로 더 포함할 수 있으며, 상기 충진부와 표면부는 일체로 형성된 하나의 구조물이 될 수 있다.
또한, 상기 휨방지 부재는 금속 또는 레진으로 구성될 수 있으며, 여기서 상기 휨방지 부재가 금속으로 구성되는 경우 상기 휨방지 부재는 상기 몸체부보다 더 큰 모듈러스를 갖는 것을 특징으로 할 수 있고, 상기 휨방지 부재가 레진으로 구성되는 경우 상기 휨방지 부재는 상기 몸체부의 실장면에 구비되는 솔더 레지스트층보다 더 큰 열팽창계수를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
이외에도, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명은 제2 실시예로서, 상면 및 상면에 대향하는 하면을 갖는 몸체부와, 상기 몸체부의 상면 및 하면을 관통하는 비아, 상기 몸체부의 상면과 하면 중 어느 한 면에 형성된 솔더 레지스트층, 그리고 상기 비아 내부에 형성된 충진부 및 상기 몸체부에서 상기 솔더 레지스트층이 형성된 면의 반대편 면에 형성된 표면부를 포함하는 휨방지 부재를 포함하는 반도체 칩을 제공한다.
본 발명의 반도체 칩에 따르면, 비아 내부에 삽입되어 형성된 충진부 및 충진부와 일체로 형성된 표면부를 포함하는 휨방지 부재가 칩의 몸체부에 구비됨으로써 칩의 휨 현상을 최소화할 수 있다.
또한, 몸체부 내부를 관통하는 충진부를 통해 칩 내부의 열을 방출시킴으로써 반도체 칩의 방열 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 칩의 단면도
도 2a는 글라인딩 공정 시 몸체부에 가해지는 힘의 방향을 설명하기 위한 도면
도 2b는 글라인딩 공정 이후 발생하는 휨 현상을 설명하기 위한 도면
도 3은 본 발명의 반도체 칩에서 발생하는 열의 이동 경로를 설명하기 위한 도면
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 칩의 단면도
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 기술 등은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 더불어, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 다수형도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
한편, 도면의 구성요소는 반드시 축척에 따라 그려진 것은 아니고, 예컨대, 본 발명의 이해를 돕기 위해 도면의 일부 구성요소의 크기는 다른 구성요소에 비해 과장될 수 있다. 또한, 각 도면에 걸쳐 표시된 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하며, 도시의 간략화 및 명료화를 위해, 도면은 일반적 구성 방식을 도시하고, 본 발명의 설명된 실시예의 논의를 불필요하게 불명료하도록 하는 것을 피하기 위해 공지된 특징 및 기술의 상세한 설명은 생략될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용효과를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반도체 칩의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 반도체 칩(100)은 몸체부(110)와, 상기 몸체부(110)의 표면에 형성된 비아(110a), 그리고 휨방지 부재(120)를 포함한다.
상기 몸체부(110)는 칩의 모재가 되는 실리콘 소재의 기판으로서, 도면 상에서는 발명의 특징만을 명료하게 설명하기 위해 개략적인 형태만을 도시하였으나, 그 내부에는 데이터를 처리하고 저장하기 위한 각종 소자, 예컨대 트랜지스터, 다이오드, 저항 및 콘덴서 등이 집적되어 있으며, 이들 소자를 전기적으로 연결하는 회로가 설계되어 있다.
또한, 상기 몸체부(110)의 최외부에는 외부 환경으로부터 소자를 보호하는 동시에 솔더 형성시 솔더가 불필요한 부위에 부착되는 것을 막고 솔더 브리지가 형성되지 않도록 하는 솔더 레지스트층(111)이 형성되어 있으며, 최종적으로 외부와의 신호 전달을 도모하기 위한 랜드 형상의 접속전극(112)이 솔더 레지스트층(111) 상에 형성되어 있다.
즉, 본 발명의 반도체 칩(100)이 패키지 기판 상에 실장될 시, 상기 접속전극(112)은 솔더 볼을 이용한 BGA(Ball Grid Array) 방식이나 와이어 본딩 방식을 통해 패키지 기판의 회로와 전기적으로 연결되고, 이때, 몸체부(110)는 접속전극(112)이 형성된 면이 패키지 기판을 향하도록 배치되어 실장된다. 따라서, 도 1을 기준으로 보았을 때 접속전극(112)이 형성된 몸체부(110)의 상면이 패키지 기판에 대한 실장면으로 제공된다.
이러한 상기 몸체부(110)는 절단 공정을 거쳐 대략 직육면체 형상을 갖는 개별 칩 형태로 준비되거나 또는 절단 공정 전의 웨이퍼 형태로 준비될 수 있으며, 몸체부(110)에 각종 소자가 집적된 이후 최종 두께 조절을 위해 실장면의 반대편 표면, 즉 상기 솔더 레지스트층(111)이 형성된 면의 반대편 표면에 대해 글라인딩(grinding) 공정이 수행된다.
도 2a는 글라인딩 공정 시 몸체부(110)에 가해지는 힘의 방향을 설명하기 위한 도면이고, 도 2b는 글라인딩 공정 이후 발생하는 휨 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a를 참조하면, 글라인딩 공정이 진행되는 동안 몸체부(110)에는 글라인딩되는 방향(도 2a에서 화살표로 표시된 방향)으로 스트레스가 지속적으로 가해지게 된다. 그 결과, 글라인딩이 종료됨과 동시에 몸체부(110)에 축적된 잔류응력이 일시에 해소되는 과정에서 그 반작용으로 힘이 작용하여 도 2b와 같은 스마일 형태의 휨이 발생하게 된다.
상기 휨방지 부재(120)는 이러한 휨 현상을 방지하기 위한 수단으로서 제공된다.
구체적으로, 상기 몸체부(110)에서 실장면으로 제공되는 면의 반대편 표면, 즉 글라인딩된 표면에는 비아(110a)가 형성되고, 휨방지 부재(120)는 상기 비아(110a) 내부에 형성된 충진부(120a)를 제1 구성요소로 포함한다. 여기서, 상기 비아(110a)는 몸체부(110)를 모두 관통하지 않고 소정 깊이로 형성된 블라인드 비아 형태가 되며, 몸체부(110)의 집적회로를 통과하지 않도록 몸체부(110)의 더미 영역에 형성된다.
상기 휨방지 부재(120)는 그 구성재료가 비아(110a)의 바닥에서부터 충진됨으로써 형성되는데, 이때, 휨방지 부재(120)의 구성이 되는 재료를 비아(110a)가 형성된 몸체부(110)의 표면, 즉 글라인딩된 표면까지 덮도록 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 휨방지 부재(120)는 제1 구성요소인 충진부(120a)와 함께 비아(110a) 외부로 연장되어 몸체부(110) 표면에 형성되는 표면부(120b)를 제2 구성요소로 포함한다.
이처럼, 각각 휨방지 부재(120)의 구성요소가 되는 충진부(120a)와 표면부(120b)는 한 번의 공정으로 동시 형성되므로 일체로 이루어지는 하나의 구조물이 되고, 이에 따라, 상기 휨방지 부재(120)는 별도의 접착부재 없이 몸체부(110)에 강하게 밀착된다. 그 결과, 접착부재 형성에 따른 추가 비용을 절감할 수 있으며, 칩 동작 시 발생하는 열이 접착부재에 의해 차단되지 않으므로 방열 효율이 크게 개선될 수 있다.
상기 휨방지 부재(120)는 몸체부(110)의 모재가 되는 실리콘(Si) 보다 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion;CTE)가 높은 재질, 예컨대 금속이나 레진 계열로 구성된다. 이에 따라, 휨방지 부재(120)는 리플로우 등의 고온 처리 과정에서 팽창하게 되고, 그 결과, 글라인딩 과정에서 휘어진 몸체부(110)를 길이 방향에 수평한 쪽으로 펴줌으로써 휨이 개선된다.
또한, 상기 휨방지 부재(120)가 구리(Cu), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 또는 금(Au)과 같이 몸체부(110)보다 더 큰 모듈러스(Modulus)를 갖는 금속으로 구성되는 경우, 휨방지 부재(120)는 면 방향에 수직하는 방향으로 몸체부(110)를 지탱하는 소위 스티프너(Stiffener)로서 기능하게 되므로 휨 방지 특성이 더욱 개선될 수 있다.
이외에도, 상기 휨방지 부재(120)의 구성재료가 되는 금속 또는 레진은 몸체부(110)의 모재가 되는 실리콘(Si)보다 더 큰 열전도율을 가질 수 있고, 이 경우 본 발명의 반도체 칩(100)은 보다 우수한 방열 특성을 나타낼 수 있다.
도 3은 본 발명의 반도체 칩에서 발생하는 열의 이동 경로를 설명하기 위한 도면으로서 이를 참조하면, 칩 내부의 열은 좌우측의 충진부(120a) 쪽으로 이동하게 되고, 충진부(120a)로 전달된 열은 공기와 직접 접촉하는 표면부(120b)를 통해 외부로 방출된다.
이처럼, 충진부(120a)는 몸체부(110) 내부에 기둥 형태로 삽입됨으로써 칩 내부열을 끌어들인 후 표면부(120b) 쪽으로 전달하는 통로로서 기능하므로 칩의 전체적인 방열 특성이 크게 개선되며, 이는 휨방지 부재(120)가 열전도율이 우수한 금속으로 형성될 때 더 크게 나타날 수 있다.
한편, 상기 휨방지 부재(120)의 구성재료로서 레진을 사용하는 경우, 그 구체적인 재료로는 상기 솔더 레지스트층(111)보다 더 큰 열팽창계수(CTE)를 갖는 에폭시(Epoxy) 등의 고분자 중합체를 사용할 수 있다.
상기 솔더 레지스트층(111)은 일반적으로 몸체부(110)보다 열팽창률이 큰 폴리이미드로 형성되므로, 몸체부(110)에 휨이 발생하게 되면 솔더 레지스트층(111)은 휘어진 방향으로 팽창되어 몸체부(110)의 휨이 더욱 가중된다.
그러나, 본 실시예처럼 솔더 레지스트층(111)의 반대편 면에 솔더 레지스트층(111)보다 더 큰 열팽창계수(CTE)를 갖는 휨방지 부재(120), 구체적으로 휨방지 부재(120)의 표면부(120b)가 구비되면, 솔더 레지스트층(111)과 반대 방향으로 힘이 작용하여 솔더 레지스트층(111)에 의한 힘이 상쇄되고, 그 결과, 휨 발생이 억제된다.
지금까지 상기 비아(110a)가 블라인드 형태로 형성된 것을 예시로 설명하였으나, 상기 비아(110a)는 몸체부(110)를 모두 관통하는 관통 비아로서 형성될 수 있고, 이에 대해서는 이하의 도 4를 참조하여 살펴보기로 한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 칩의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 반도체 칩(200)에서 상기 몸체부(210)는 상면 및 상면에 대향하는 하면을 갖는 직육면체로 형성되고, 비아(210a)는 몸체부(210)의 상면 및 하면을 수직 방향으로 관통하도록 형성되어 있다.
그리고, 상기 몸체부(210)의 상면과 하면 중 실장면으로서 제공되는 어느 한 면에는 솔더 레지스트층(211)이 구비된다. 이에 따라, 비아(210a)의 한 쪽 개구는 상기 솔더 레지스트층(211)에 의해 차폐되고, 휨방지 부재(220)는 개방된 반대 쪽 개구를 통해 몸체부(210)보다 열팽창계수(CTE)가 큰 금속 또는 레진 계열의 물질이 충진되어 형성된다. 즉, 상기 휨방지 부재(220)는 비아(210a) 내부에 형성되는 충진부(220a)와, 상기 충진부(220a)와 일체로 형성되며 솔더 레지스트층(211)의 반대편 면에 형성되는 표면부(220b)를 구성요소로 포함한다.
이처럼, 본 실시예에서 상기 솔더 레지스트층(211)은 보호막으로서의 본연의 기능 외에 휨방지 부재(220)의 형성 전 비아(210a)의 한 쪽 개구를 차폐함으로써 휨방지 부재(220)의 구성재료가 몸체부(210) 외부로 돌출되는 것을 방지하는 차폐막으로서의 기능도 수행한다.
한편, 상기 휨방지 부재(220)는 전술한 실시예와 마찬가지로 몸체부(110)의 모재가 되는 실리콘(Si)보다 더 큰 열전도율을 갖는 금속 또는 레진으로 형성될 수 있으며, 금속으로 형성되는 경우 몸체부(210)보다 더 큰 모듈러스를 갖는 금속 소재를 사용할 수 있고, 레진으로 형성되는 경우에는 솔더 레지스트층(211)보다 더 큰 열팽창계수(CTE)를 갖는 고분자 중합체를 사용함으로써 휨 현상을 보다 개선할 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내고 설명하는 것에 불과하며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉, 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시예들은 본 발명을 실시하는데 있어 최선의 상태를 설명하기 위한 것이며, 본 발명과 같은 다른 발명을 이용하는데 당업계에 알려진 다른 상태로의 실시, 그리고 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서, 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
100, 200: 본 발명에 따른 반도체 칩
110, 210: 몸체부
111, 211: 솔더 레지스트층
112, 212: 접속전극
110a, 210a: 비아
120, 220: 휨방지 부재
120a, 220a: 충진부
120b, 220b: 표면부

Claims (16)

  1. 몸체부;
    상기 몸체부의 표면에 형성된 비아; 및
    상기 비아 내부에 형성된 충진부를 포함하는 휨방지 부재;를 포함하는 반도체 칩.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 휨방지 부재는, 상기 몸체부에서 상기 비아가 형성된 표면을 덮는 표면부를 더 포함하는 반도체 칩.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 충진부와 표면부는 일체로 형성된 하나의 구조물인 반도체 칩.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 비아는, 상기 몸체부에서 실장면으로 제공되는 표면의 반대편 표면에 형성되는 반도체 칩.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 휨방지 부재는 상기 몸체부보다 더 큰 열팽창계수를 갖는 반도체 칩.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 휨방지 부재는 상기 몸체부보다 더 큰 열전도율을 갖는 반도체 칩.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 휨방지 부재는 금속 또는 레진으로 구성되는 반도체 칩.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 휨방지 부재가 금속으로 구성되는 경우, 상기 휨방지 부재는 상기 몸체부보다 더 큰 모듈러스를 갖는 반도체 칩.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 휨방지 부재가 레진으로 구성되는 경우, 상기 휨방지 부재는 상기 몸체부의 실장면에 구비되는 솔더 레지스트층보다 더 큰 열팽창계수를 갖는 반도체 칩.
  10. 상면 및 상면에 대향하는 하면을 갖는 몸체부;
    상기 몸체부의 상면 및 하면을 관통하는 비아;
    상기 몸체부의 상면과 하면 중 어느 한 면에 형성된 솔더 레지스트층;
    상기 비아 내부에 형성된 충진부 및 상기 몸체부에서 상기 솔더 레지스트층이 형성된 면의 반대편 면에 형성된 표면부를 포함하는 휨방지 부재;를 포함하는 반도체 칩.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 충진부와 표면부는 일체로 형성된 하나의 구조물인 반도체 칩.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 휨방지 부재는 상기 몸체부보다 더 큰 열팽창계수를 갖는 반도체 칩.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 휨방지 부재는 상기 몸체부보다 더 큰 열전도율을 갖는 반도체 칩.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 휨방지 부재는 금속 또는 레진으로 구성되는 반도체 칩.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 휨방지 부재가 금속으로 구성되는 경우, 상기 휨방지 부재는 상기 몸체부보다 더 큰 모듈러스를 갖는 반도체 칩.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 휨방지 부재가 레진으로 구성되는 경우, 상기 휨방지 부재는 상기 솔더 레지스트층보다 더 큰 열팽창계수를 갖는 반도체 칩.
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