KR20180096392A - 팬-아웃 반도체 패키지 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 접속패드가 배치된 활성면 및 상기 활성면의 반대측에 배치된 비활성면을 갖는 반도체칩, 상기 반도체칩의 적어도 일부를 봉합하는 봉합재, 및 상기 반도체칩의 활성면 상에 배치되며 상기 반도체칩의 접속패드와 전기적으로 연결된 재배선층을 포함하는 제1연결부재를 포함하며, 상기 재배선층은 제1선폭을 갖는 제1라인부 및 상기 제1라인부와 연결되며 상기 제1선폭 보다 넓은 제2선폭을 갖는 제2라인부를 갖는 라인패턴을 포함하며, 상기 활성면에 수직인 방향으로 투영할 때, 상기 반도체칩의 투영면을 팬-인 영역이라 하고, 상기 팬-인 영역을 둘러싸는 영역을 팬-아웃 영역이라 하면, 상기 제2라인부는 적어도 상기 팬-인 및 팬-아웃 영역의 경계를 지나는 팬-아웃 반도체 패키지에 관한 것이다.

Description

팬-아웃 반도체 패키지{FAN-OUT SEMICONDUCTOR PACKAGE}
본 개시는 반도체 패키지, 예를 들면, 접속단자를 반도체칩이 배치된 영역 외로도 확장할 수 있는 팬-아웃 반도체 패키지에 관한 것이다.
최근 반도체칩에 관한 기술 개발의 주요한 추세 중의 하나는 부품의 크기를 축소하는 것이며, 이에 패키지 분야에서도 소형 반도체칩 등의 수요 급증에 따라 소형의 크기를 가지면서 다수의 핀을 구현하는 것이 요구되고 있다.
이에 부합하기 위하여 제안된 패키지 기술 중의 하나가 팬-아웃 패키지이다. 팬-아웃 패키지는 접속단자를 반도체칩이 배치된 영역 외로도 재배선하여, 소형의 크기를 가지면서도 다수의 핀을 구현할 수 있게 해준다.
본 개시의 여러 목적 중 하나는 보드레벨 신뢰성이 우수한 팬-아웃 반도체 패키지를 제공하는 것이다.
본 개시를 통하여 제안하는 여러 해결 수단 중 하나는 팬-아웃 반도체 패키지의 보드레벨 신뢰성 스트레스가 집중되는 영역의 재배선층을 강화하는 것이다.
예를 들면, 본 개시에서 제안하는 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지는 접속패드가 배치된 활성면 및 상기 활성면의 반대측에 배치된 비활성면을 갖는 반도체칩, 상기 반도체칩의 적어도 일부를 봉합하는 봉합재, 및 상기 반도체칩의 활성면 상에 배치되며 상기 반도체칩의 접속패드와 전기적으로 연결된 재배선층을 포함하는 제1연결부재를 포함하며, 상기 재배선층은 제1선폭을 갖는 제1라인부 및 상기 제1라인부와 연결되며 상기 제1선폭 보다 넓은 제2선폭을 갖는 제2라인부를 갖는 라인패턴을 포함하며, 상기 활성면에 수직인 방향으로 투영할 때, 상기 반도체칩의 투영면을 팬-인 영역이라 하고, 상기 팬-인 영역을 둘러싸는 영역을 팬-아웃 영역이라 하면, 상기 제2라인부는 적어도 상기 팬-인 및 팬-아웃 영역의 경계를 지나는 것일 수 있다.
예를 들면, 본 개시에서 제안하는 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지는 관통홀을 갖는 제1연결부재, 상기 제1연결부재의 관통홀에 배치되며 접속패드가 배치된 활성면 및 상기 활성면의 반대측에 배치된 비활성면을 갖는 반도체칩, 상기 제1연결부재 및 상기 반도체칩의 적어도 일부를 봉합하는 봉합재, 및 상기 제1연결부재 및 상기 반도체칩의 활성면 상에 배치되며 상기 반도체칩의 접속패드와 전기적으로 연결된 재배선층을 포함하는 제2연결부재를 포함하며, 상기 재배선층은 제1선폭을 갖는 제1라인부 및 상기 제1라인부와 연결되며 상기 제1선폭 보다 넓은 제2선폭을 갖는 제2라인부를 갖는 라인패턴을 포함하며, 상기 제2연결부재의 상기 재배선층이 형성된 일 평면 영역에 있어서, 상기 반도체칩의 활성면에 수직인 방향으로 투영할 때, 상기 반도체칩의 투영면을 R1, 상기 제2연결부재의 투영면을 R2, 및 상기 반도체칩과 상기 제2연결부재 사이의 관통홀의 투영면을 R3라 하면, 상기 라인패턴의 제2라인부의 적어도 일부는 상기 R3 영역과 오버랩 되는 것일 수도 있다.
본 개시의 여러 효과 중 일 효과로서 보드레벨 신뢰성이 우수한 팬-아웃 반도체 패키지를 제공할 수 있다.
도 1은 전자기기 시스템의 예를 개략적으로 나타내는 블록도다.
도 2는 전자기기의 일례를 개략적으로 나타낸 사시도다.
도 3은 팬-인 반도체 패키지의 패키징 전후를 개략적으로 나타낸 단면도다.
도 4는 팬-인 반도체 패키지의 패키징 과정을 개략적으로 나타낸 단면도다.
도 5는 팬-인 반도체 패키지가 인터포저 기판 상에 실장되어 최종적으로 전자기기의 메인보드에 실장된 경우를 개략적으로 나타낸 단면도다.
도 6은 팬-인 반도체 패키지가 인터포저 기판 내에 내장되어 최종적으로 전자기기의 메인보드에 실장된 경우를 개략적으로 나타낸 단면도다.
도 7은 팬-아웃 반도체 패키지의 개략적은 모습을 나타낸 단면도다.
도 8은 팬-아웃 반도체 패키지가 전자기기의 메인보드에 실장된 경우를 개략적으로 나타낸 단면도다.
도 9는 팬-아웃 반도체 패키지의 일례를 대략 나타낸 단면도다.
도 10은 도 9의 재배선층 영역을 개략적으로 나타낸 평면도다.
도 11은 팬-아웃 반도체 패키지의 다른 일례를 대략 나타낸 단면도다.
도 12는 팬-아웃 반도체 패키지의 다른 일례를 대략 나타낸 단면도다.
도 13은 팬-아웃 반도체 패키지의 보드레벨 휨 거동을 개략적으로 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시에 대해 설명한다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 축소될 수 있다.
전자기기
도 1은 전자기기 시스템의 예를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도면을 참조하면, 전자기기(1000)는 메인보드(1010)를 수용한다. 메인보드(1010)에는 칩 관련부품(1020), 네트워크 관련부품(1030), 및 기타부품(1040) 등이 물리적 및/또는 전기적으로 연결되어 있다. 이들은 후술하는 다른 부품과도 결합되어 다양한 신호라인(1090)을 형성한다.
칩 관련부품(1020)으로는 휘발성 메모리(예컨대, DRAM), 비-휘발성 메모리(예컨대, ROM), 플래시 메모리 등의 메모리 칩; 센트랄 프로세서(예컨대, CPU), 그래픽 프로세서(예컨대, GPU), 디지털 신호 프로세서, 암호화 프로세서, 마이크로 프로세서, 마이크로 컨트롤러 등의 어플리케이션 프로세서 칩; 아날로그-디지털 컨버터, ASIC(application-specific IC) 등의 로직 칩 등이 포함되며, 이에 한정되는 것은 아니고, 이 외에도 기타 다른 형태의 칩 관련 부품이 포함될 수 있음은 물론이다. 또한, 이들 부품(1020)이 서로 조합될 수 있음은 물론이다.
네트워크 관련부품(1030)으로는, Wi-Fi(IEEE 802.11 패밀리 등), WiMAX(IEEE 802.16 패밀리 등), IEEE 802.20, LTE(long term evolution), Ev-DO, HSPA+, HSDPA+, HSUPA+, EDGE, GSM, GPS, GPRS, CDMA, TDMA, DECT, Bluetooth, 3G, 4G, 5G 및 그 이후의 것으로 지정된 임의의 다른 무선 및 유선 프로토콜들이 포함되며, 이에 한정되는 것은 아니고, 이 외에도 기타 다른 다수의 무선 또는 유선 표준들이나 프로토콜들 중의 임의의 것이 포함될 수 있다. 또한, 네트워크 관련부품(1030)이 칩 관련 부품(1020)과 더불어 서로 조합될 수 있음은 물론이다.
기타부품(1040)으로는, 고주파 인덕터, 페라이트 인덕터, 파워 인덕터, 페라이트 비즈, LTCC(low Temperature Co-Firing Ceramics), EMI(Electro Magnetic Interference) filter, MLCC(Multi-Layer Ceramic Condenser) 등이 포함되며, 이에 한정되는 것은 아니고, 이 외에도 기타 다른 다양한 용도를 위하여 사용되는 수동부품 등이 포함될 수 있다. 또한, 기타부품(1040)이 칩 관련 부품(1020) 및/또는 네트워크 관련 부품(1030)과 더불어 서로 조합될 수 있음은 물론이다.
전자기기(1000)의 종류에 따라, 전자기기(1000)는 메인보드(1010)에 물리적 및/또는 전기적으로 연결되거나 그렇지 않을 수도 있는 다른 부품을 포함할 수 있다. 다른 부품의 예를 들면, 카메라(1050), 안테나(1060), 디스플레이(1070), 배터리(1080), 오디오 코덱(미도시), 비디오 코덱(미도시), 전력 증폭기(미도시), 나침반(미도시), 가속도계(미도시), 자이로스코프(미도시), 스피커(미도시), 대량 저장 장치(예컨대, 하드디스크 드라이브)(미도시), CD(compact disk)(미도시), 및 DVD(digital versatile disk)(미도시) 등이 있으며, 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 이 외에도 전자기기(1000)의 종류에 따라 다양한 용도를 위하여 사용되는 기타 부품 등이 포함될 수 있음은 물론이다.
전자기기(1000)는, 스마트 폰(smart phone), 개인용 정보 단말기(personal digital assistant), 디지털 비디오 카메라(digital video camera), 디지털 스틸 카메라(digital still camera), 네트워크 시스템(network system), 컴퓨터(computer), 모니터(monitor), 태블릿(tablet), 랩탑(laptop), 넷북(netbook), 텔레비전(television), 비디오 게임(video game), 스마트 워치(smart watch), 오토모티브(Automotive) 등일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 이들 외에도 데이터를 처리하는 임의의 다른 전자기기일 수 있음은 물론이다.
도 2는 전자기기의 일례를 개략적으로 나타낸 사시도다.
도면을 참조하면, 반도체 패키지는 상술한 바와 같은 다양한 전자기기에 다양한 용도로써 적용된다. 예를 들면, 스마트 폰(1100)의 바디(1101) 내부에는 메인보드(1110)가 수용되어 있으며, 메인보드(1110)에는 다양한 부품(1120) 들이 물리적 및/또는 전기적으로 연결되어 있다. 또한, 카메라(1130)와 같이 메인보드(1010)에 물리적 및/또는 전기적으로 연결되거나 그렇지 않을 수도 있는 다른 부품이 바디(1101) 내에 수용되어 있다. 부품(1120) 중 일부는 칩 관련부품일 수 있으며, 반도체 패키지(100)는, 예를 들면, 그 중 어플리케이션 프로세서일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전자기기는 반드시 스마트 폰(1100)에 한정되는 것은 아니며, 상술한 바와 같이 다른 전자기기일 수도 있음은 물론이다.
반도체 패키지
일반적으로 반도체칩은 수많은 미세 전기 회로가 집적되어 있으나 그 자체로는 반도체 완성품으로서의 역할을 할 수 없으며, 외부의 물리적 또는 화학적 충격에 의해 손상될 가능성이 존재한다. 그래서 반도체칩 자체를 그대로 사용하지 않고 반도체칩을 패키징하여 패키지 상태로 전자기기 등에 사용하고 있다.
반도체 패키징이 필요한 이유는, 전기적인 연결이라는 관점에서 볼 때, 반도체칩과 전자기기의 메인보드의 회로 폭에 차이가 있기 때문이다. 구체적으로, 반도체칩의 경우, 접속패드의 크기와 접속패드간의 간격이 매우 미세한 반면 전자기기에 사용되는 메인보드의 경우, 부품 실장 패드의 크기 및 부품 실장 패드의 간격이 반도체칩의 스케일보다 훨씬 크다. 따라서, 반도체칩을 이러한 메인보드 상에 바로 장착하기 어려우며 상호간의 회로 폭 차이를 완충시켜 줄 수 있는 패키징 기술이 요구되는 것이다.
이러한 패키징 기술에 의하여 제조되는 반도체 패키지는 구조 및 용도에 따라서 팬-인 반도체 패키지(Fan-in semiconductor package)와 팬-아웃 반도체 패키지(Fan-out semiconductor package)로 구분될 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 팬-인 반도체 패키지와 팬-아웃 반도체 패키지에 대하여 보다 자세히 알아보도록 한다.
(팬-인 반도체 패키지)
도 3은 팬-인 반도체 패키지의 패키징 전후를 개략적으로 나타낸 단면도다.
도 4는 팬-인 반도체 패키지의 패키징 과정을 개략적으로 나타낸 단면도다.
도면을 참조하면, 반도체칩(2220)은 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs) 등을 포함하는 바디(2221), 바디(2221)의 일면 상에 형성된 알루미늄(Al) 등의 도전성 물질을 포함하는 접속패드(2222), 및 바디(2221)의 일면 상에 형성되며 접속패드(2222)의 적어도 일부를 덮는 산화막 또는 질화막 등의 패시베이션막(2223)을 포함하는, 예를 들면, 베어(Bare) 상태의 집적회로(IC)일 수 있다. 이때, 접속패드(2222)는 매우 작기 때문에, 집적회로(IC)는 전자기기의 메인보드 등은 물론, 중간 레벨의 인쇄회로기판(PCB)에도 실장 되기 어렵다.
이에, 접속패드(2222)를 재배선하기 위하여 반도체칩(2220) 상에 반도체칩(2220)의 사이즈에 맞춰 연결부재(2240)를 형성한다. 연결부재(2240)는 반도체칩(2220) 상에 감광성 절연수지(PID)와 같은 절연물질로 절연층(2241)을 형성하고, 접속패드(2222)를 오픈시키는 비아홀(2243h)을 형성한 후, 배선패턴 (2242) 및 비아(2243)를 형성하여 형성할 수 있다. 그 후, 연결부재(2240)를 보호하는 패시베이션층(2250)을 형성하고, 개구부(2251)를 형성한 후, 언더범프금속층(2260) 등을 형성한다. 즉, 일련의 과정을 통하여, 예를 들면, 반도체칩(2220), 연결부재(2240), 패시베이션층(2250), 및 언더범프금속층(2260)을 포함하는 팬-인 반도체 패키지(2200)가 제조된다.
이와 같이, 팬-인 반도체 패키지는 반도체칩의 접속패드, 예컨대 I/O(Input / Output) 단자를 모두 소자 안쪽에 배치시킨 패키지형태이며, 팬-인 반도체 패키지는 전기적 특성이 좋으며 저렴하게 생산할 수 있다. 따라서, 스마트폰에 들어가는 많은 소자들이 팬-인 반도체 패키지 형태로 제작되고 있으며, 구체적으로는 소형이면서도 빠른 신호 전달을 구현하는 방향으로 개발이 이루어지고 있다.
다만, 팬-인 반도체 패키지는 I/O 단자를 모두 반도체칩 안쪽에 배치해야 하는바 공간적인 제약이 많다. 따라서, 이러한 구조는 많은 수의 I/O 단자를 갖는 반도체칩이나 크기가 작은 반도체칩에 적용하는데 어려운 점이 있다. 또한, 이러한 취약점으로 인하여 전자기기의 메인보드에 팬-인 반도체 패키지가 직접 실장 되어 사용될 수 없다. 반도체칩의 I/O 단자를 재배선 공정으로 그 크기와 간격을 확대하였다 하더라도, 전자기기 메인보드에 직접 실장 될 수 있을 정도의 크기와 간격을 가지는 것은 아니기 때문이다.
도 5는 팬-인 반도체 패키지가 인터포저 기판 상에 실장되어 최종적으로 전자기기의 메인보드에 실장된 경우를 개략적으로 나타낸 단면도다.
도 6은 팬-인 반도체 패키지가 인터포저 기판 내에 내장되어 최종적으로 전자기기의 메인보드에 실장된 경우를 개략적으로 나타낸 단면도다.
도면을 참조하면, 팬-인 반도체 패키지(2200)는 반도체칩(2220)의 접속패드들(2222), 즉 I/O 단자들이 인터포저 기판(2301)을 통하여 다시 한 번 재배선되며, 최종적으로는 인터포저 기판(2301) 상에 팬-인 반도체 패키지(2200)가 실장된 상태로 전자기기의 메인보드(2500)에 실장될 수 있다. 이때, 솔더볼(2270) 등은 언더필 수지(2280) 등으로 고정될 수 있으며, 외측은 몰딩재(2290) 등으로 커버될 수 있다. 또는, 팬-인 반도체 패키지(2200)는 별도의 인터포저 기판(2302) 내에 내장(Embedded) 될 수 도 있으며, 내장된 상태로 인터포저 기판(2302)에 의하여 반도체칩(2220)의 접속패드들(2222), 즉 I/O 단자들이 다시 한 번 재배선되고, 최종적으로 전자기기의 메인보드(2500)에 실장될 수 있다.
이와 같이, 팬-인 반도체 패키지는 전자기기의 메인보드에 직접 실장 되어 사용되기 어렵기 때문에, 별도의 인터포저 기판 상에 실장된 후 다시 패키징 공정을 거쳐 전자기기 메인보드에 실장되거나, 또는 인터포저 기판 내에 내장된 채로 전자기기 메인보드에 실장되어 사용되고 있다.
(팬-아웃 반도체 패키지)
도 7은 팬-아웃 반도체 패키지의 개략적은 모습을 나타낸 단면도다.
도면을 참조하면, 팬-아웃 반도체 패키지(2100)는, 예를 들면, 반도체칩(2120)의 외측이 봉합재(2130)로 보호되며, 반도체칩(2120)의 접속패드(2122)가 연결부재(2140)에 의하여 반도체칩(2120)의 바깥쪽까지 재배선된다. 이때, 연결부재(2140) 상에는 패시베이션층(2202)이 더 형성될 수 있으며, 패시베이션층(2202)의 개구부에는 언더범프금속층(2160)이 더 형성될 수 있다. 언더범프금속층(2160) 상에는 솔더볼(2170)이 더 형성될 수 있다. 반도체칩(2120)은 바디(2121), 접속패드(2122), 패시베이션막(미도시) 등을 포함하는 집적회로(IC)일 수 있다. 연결부재(2140)는 절연층(2141), 절연층(2241) 상에 형성된 재배선층(2142), 접속패드(2122)와 재배선층(2142) 등을 전기적으로 연결하는 비아(2143)를 포함할 수 있다.
이와 같이, 팬-아웃 반도체 패키지는 반도체칩 상에 형성된 연결부재를 통하여 반도체칩의 바깥쪽에 까지 I/O 단자를 재배선하여 배치시킨 형태이다. 상술한 바와 같이, 팬-인 반도체 패키지는 반도체칩의 I/O 단자를 모두 반도체칩 안쪽에 배치시켜야 하고 이에 소자 사이즈가 작아지면 볼 크기와 피치를 줄여야 하므로 표준화된 볼 레이아웃을 사용할 수 없다. 반면, 팬-아웃 반도체 패키지는 이와 같이 반도체칩 상에 형성된 연결부재를 통하여 반도체칩의 바깥쪽에 까지 I/O 단자를 재배선하여 배치시킨 형태인바 반도체칩의 크기가 작아지더라도 표준화된 볼 레이아웃을 그대로 사용할 수 있는바, 후술하는 바와 같이 전자기기의 메인보드에 별도의 인터포저 기판 없이도 실장될 수 있다.
도 8은 팬-아웃 반도체 패키지가 전자기기의 메인보드에 실장된 경우를 개략적으로 나타낸 단면도다.
도면을 참조하면, 팬-아웃 반도체 패키지(2100)는 솔더볼(2170) 등을 통하여 전자기기의 메인보드(2500)에 실장될 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 팬-아웃 반도체 패키지(2100)는 반도체칩(2120) 상에 반도체칩(2120)의 사이즈를 벗어나는 팬-아웃 영역까지 접속패드(2122)를 재배선할 수 있는 연결부재(2140)를 형성하기 때문에, 표준화된 볼 레이아웃을 그대로 사용할 수 있으며, 그 결과 별도의 인터포저 기판 등 없이도 전자기기의 메인보드(2500)에 실장 될 수 있다.
이와 같이, 팬-아웃 반도체 패키지는 별도의 인터포저 기판 없이도 전자기기의 메인보드에 실장 될 수 있기 때문에, 인터포저 기판을 이용하는 팬-인 반도체 패키지 대비 두께를 얇게 구현할 수 있는바 소형화 및 박형화가 가능하다. 또한, 열 특성과 전기적 특성이 우수하여 모바일 제품에 특히 적합하다. 또한, 인쇄회로기판(PCB)을 이용하는 일반적인 POP(Package on Package) 타입 보다 더 컴팩트하게 구현할 수 있고, 휨 현상 발생으로 인한 문제를 해결할 수 있다.
한편, 팬-아웃 반도체 패키지는 이와 같이 반도체칩을 전자기기의 메인보드 등에 실장하기 위하여, 그리고 외부의 충격으로부터 반도체칩을 보호하기 위한 패키지 기술을 의미하는 것으로, 이와는 스케일, 용도 등이 상이하며, 팬-인 반도체 패키지가 내장되는 인터포저 기판 등의 인쇄회로기판(PCB)과는 다른 개념이다.
이하에서는, 보드레벨 신뢰성이 우수한 팬-아웃 반도체 패키지에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 9는 팬-아웃 반도체 패키지의 일례를 대략 나타낸 단면도다.
도 10은 도 9의 재배선층 영역을 개략적으로 나타낸 평면도다.
도면을 참조하면, 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(100A)는 관통홀(110H)을 갖는 제1연결부재(110), 제1연결부재(110)의 관통홀(110H)에 배치되며 접속패드(122)가 배치된 활성면 및 활성면의 반대측에 배치된 비활성면을 갖는 반도체칩(120), 제1연결부재(110) 및 반도체칩(120)의 적어도 일부를 봉합하는 봉합재(130), 제1연결부재(110) 및 반도체칩(120)의 활성면 상에 배치된 제2연결부재(140), 제2연결부재(140) 상에 배치된 패시베이션층(150), 패시베이션층(150)의 개구부(151) 상에 배치된 언더범프금속층(160), 및 패시베이션층(150) 상에 배치되며 언더범프금속층(160)과 연결된 접속단자(170)를 포함한다. 제2연결부재(140)는 제1연결부재(110) 및 반도체칩(120)의 활성면 상에 배치된 제1절연층(141a), 제1절연층(141a) 상에 배치된 제1재배선층(142a), 제1절연층(141a) 및 반도체칩(120)의 접속패드(122)를 연결하는 제1비아층(143a), 제1절연층(141a) 상에 배치된 제2절연층(141b), 제2절연층(141b) 상에 배치된 제2재배선층(142b), 및 제2절연층(141b)을 관통하며 제1 및 제2재배선층(142a, 142b)을 연결하는 제2비아층(143b)을 포함한다.
한편, 최근 모바일 응용 제품에 사용되는 반도체 패키지는 고밀도, 초소형 및 다기능을 요구하고 있다. 이에 따라 점점 반도체가 다기능화 되면서 요구되는 핀(pin)의 수가 많아지고 있으며, 이에 따라 패키지 사이즈가 커지게 되었다. 이에 따라 모바일이나 웨어러블 디바이스 등의 제품이 추구하는 경박단소 트렌드에 부합하는 반도체 패키지가 요구되고 있다. 이러한 수요를 충족시키기 위해 개발된 기술이 웨이퍼 레벨 패키지(Wafer Level Package)이다. 웨이퍼 레벨 패키지는 웨이퍼에 직접 칩을 실장하는 기술이며, 이를 통해 반도체 두께 및 부피를 줄이는 혁신이 가능해졌다. 그러나 기존의 웨이퍼 레벨 패키지는 팬-인 형태로, I/O 단자가 많은 칩에 사용하기에는 한계가 있으며, 이에 따라 팬 아웃 웨이퍼 레벨 패키지(Fan-Out Wafer Level Package)가 새로운 기술로 부각되고 있다.
한편, 최근 주목을 받고 있는 팬-아웃 웨이퍼 레벨 패키지 기술에서 주요 이슈는 보드레벨 신뢰성, 예컨대 TCoB(Temperature cycle on Board) Test나 Drop Test 등에서 우수한 신뢰성을 가지는 것이다. 이에 팬-아웃 반도체 패키지의 보드레벨 신뢰성 확보를 위해서 여러 가지 시도가 있어왔다. 예를 들면, 재배선층의 볼 패드의 형상을 변경하는 방법 등을 들 수 있다. 다만, 이 경우 팬-인 영역과 팬-아웃 영역으로 이루어지는 복잡한 구조의 재배선층을 형성하는 경우의 보드레벨 신뢰성을 효과적으로 저감시키지 못하는 문제점이 있다.
반면, 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(100A)는 보드레벨 신뢰성이 문제되는 환경에서 스트레스가 많이 걸리는 영역을 지나는 제2연결부재(140)의 재배선층(142a)의 라인패턴(142aL)의 선폭을 부분적으로 넓게 하여 신뢰성 수명을 연장시킨다. 구체적으로, 제2연결부재(140)의 재배선층(142a)이 형성된 일 평면 영역에 있어서, 반도체칩(120)의 활성면의 수직방향으로 투영할 때, 반도체칩(120)의 투영면을 팬-인 영역이라 하고 팬-인 영역을 둘러싸는 영역을 팬-아웃 영역이라 하면, 적어도 팬-인 및 팬-아웃 영역의 경계를 지날 때 라인패턴(142aL)의 선폭이 넓어지도록 설계한다. 즉, 재배선층(142a)은 제1선폭(W1)을 갖는 제1라인부 및 제1라인부와 연결되며 제1선폭(W1) 보다 넓은 제2선폭(W2)을 갖는 제2라인부를 갖는 라인패턴(142aL)을 포함하며, 이때 라인패턴(142aL)의 제2라인부는 적어도 팬-인 및 팬-아웃 영역의 경계를 지난다. 보다 구체적으로, 제2연결부재(140)의 재배선층(142a)이 형성된 일 평면 영역에 있어서, 반도체칩(120)의 활성면의 수직방향으로 투영할 때, 반도체칩(120)의 투영면을 R1, 제1연결부재(110)의 투영면을 R2, 반도체칩(120)과 제1연결부재(110) 사이의 관통홀(110H)의 투영면을 R3라 하면, 재배선층(142a) 중 R3 영역을 거쳐 R1 및 R2 영역을 지나는 라인패턴(142aL)은 R3 영역을 거칠 때 선폭이 넓어지도록 설계한다. 즉, 재배선층(142a)은 제1선폭(W1)을 갖는 제1라인부 및 제1라인부와 연결되며 제1선폭(W1) 보다 넓은 제2선폭(W2)을 갖는 제2라인부를 갖는 라인패턴(142aL)을 포함하며, 라인패턴(142aL)의 제2라인부의 적어도 일부는 R3 영역과 오버랩 된다. 따라서, 팬-인 영역과 팬-아웃 영역으로 이루어지는 복잡한 구조의 재배선층(142a)을 형성하는 경우에도 보드레벨 신뢰성을 효과적으로 저감시킬 수 있다. 한편, 도면에는 구체적으로 도시하지 않았으나, 재배선층(142b)의 경우에도 이와 유사하게 라인패턴(142aL) 등이 도입될 수 있음은 물론이다. 바람직하게는, 재배선층(142a, 142b) 모두에 이러한 라인패턴(142aL) 등이 도입될 수 있다.
한편, 보드레벨 신뢰성이 문제되는 환경에서 스트레스가 많이 걸리는 R3 영역의 모서리 부분에 전기적 신호라인이나 파워라인과 같은 라인패턴(142aL)이 지나가는 경우, 상술한 바와 같이 선폭(W1, W2)을 설계한 라인패턴(142aL)이 지나가더라도, 신뢰성 수명이 상당히 단축될 수 있다. 이에, 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(100A)는 팬-인 영역의 모서리, 보다 구체적으로는 R3 영역의 모서리 부분에 라인패턴(142aL)과 단절된 더미패턴(142aD)을 배치한다. 더미패턴(142aD)은 R1 영역의 모서리 부분과 R2 영역의 R3 영역의 모서리 부분과 인접한 부분에까지 확장되어 배치될 수 있다. 더미패턴(142aD)은 라인패턴(142aL)에 비해 높은 금속 비율을 가지는 등의 이유로 스트레스에 보다 강할 수 있다. 한편, 라인패턴(142aL) 중 해당 부분을 지나치도록 설계 되었던 라인패턴(142aL')은 팬-인 영역의 모서리, 보다 구체적으로는 R3 영역의 모서리 부분에 배치된 더미패턴(142aD)을 우회하도록 배치된다. 따라서, 해당 영역에 걸리는 스트레스의 라인패턴(142aL')에 미치는 영향을 최소화시킬 수 있다. 한편, 도면에는 구체적으로 도시하지 않았으나, 재배선층(142b)의 경우에도 이와 유사하게 라인패턴(142aL)이나 더미패턴(142aD) 등이 도입될 수 있음은 물론이다. 바람직하게는, 재배선층(142a, 142b) 모두에 이러한 라인패턴(142aL)이나 더미패턴(142aD) 등이 도입될 수 있다.
이하, 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(100A)에 포함되는 각각의 구성에 대하여 보다 자세히 설명한다.
제1연결부재(110)는 구체적인 재료에 따라 패키지(100A)의 강성을 보다 개선시킬 수 있으며, 봉합재(130)의 두께 균일성 확보 등의 역할을 수행할 수 있다. 제1연결부재(110)에 관통배선 등을 형성하는 경우, 팬-아웃 반도체 패키지(100A)가 POP(Package on Package) 타입의 패키지로 활용될 수도 있다. 제1연결부재(110)는 관통홀(110H)을 가진다. 관통홀(110H) 내에는 반도체칩(120)이 제1연결부재(110)와 소정거리 이격 되도록 배치된다. 반도체칩(120)의 측면 주위는 제1연결부재(110)에 의하여 둘러싸일 수 있다. 다만, 이는 일례에 불과하며 다른 형태로 다양하게 변형될 수 있으며, 그 형태에 따라서 다른 기능을 수행할 수 있다. 필요에 따라서는 제1연결부재(110)를 생략할 수 있으나, 제1연결부재(110)를 가지는 경우가 본 개시에서 의도하는 보드레벨 신뢰성 확보에 보다 유리할 수 있다.
제1연결부재(110)는 절연층(111)을 포함한다. 절연층(111)의 재료로는 절연물질이 사용될 수 있는데, 이때 절연물질로는 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지, 폴리이미드와 같은 열가소성 수지, 또는 이들 수지가 무기필러와 혼합되거나, 또는 무기필러와 함께 유리섬유(Glass Fiber, Glass Cloth, Glass Fabric) 등의 심재에 함침된 수지, 예를 들면, 프리프레그(prepreg), ABF(Ajinomoto Build-up Film), FR-4, BT(Bismaleimide Triazine) 등이 사용될 수 있다.
반도체칩(120)은 소자 수백 내지 수백만 개 이상이 하나의 칩 안에 집적화된 집적회로(IC: Integrated Circuit)일 수 있다. 이때 집적회로는, 예를 들면, 센트랄 프로세서(예컨대, CPU), 그래픽 프로세서(예컨대, GPU), 필드 프로그램어블 게이트 어레이(FPGA), 디지털 신호 프로세서, 암호화 프로세서, 마이크로 프로세서, 마이크로 컨트롤러 등의 프로세서칩, 구체적으로는 어플리케이션 프로세서(AP: Application Processor)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 아날로그-디지털 컨버터, ASIC(application-specific IC) 등의 로직 칩이나, 휘발성 메모리(예컨대, DRAM), 비-휘발성 메모리(예컨대, ROM), 플래시 메모리 등의 메모리 칩일 수도 있다. 또한, 이들이 서로 조합되어 배치될 수도 있음은 물론이다.
반도체칩(120)은 액티브 웨이퍼를 기반으로 형성된 집적회로(IC: Integrated Circuit)일 수 있으며, 이 경우 바디(121)를 이루는 모재로는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs) 등이 사용될 수 있다. 바디(121)에는 다양한 회로가 형성되어 있을 수 있다. 접속패드(122)는 반도체칩(120)을 다른 구성요소와 전기적으로 연결시키기 위한 것으로, 형성물질로는 알루미늄(Al) 등의 도전성 물질을 특별한 제한 없이 사용할 수 있다. 바디(121) 상에는 접속패드(122)를 노출시키는 패시베이션막(123)이 형성될 수 있으며, 패시베이션막(123)은 산화막 또는 질화막 등일 수 있고, 또는 산화막과 질화막의 이중층일 수도 있다. 패시베이션막(123)을 통하여 접속패드(122) 하면은 봉합재(130) 하면과 단차를 가질 수 있으며, 봉합재(130)가 접속패드(122) 하면으로 블리딩 되는 것을 어느 정도 방지할 수 있다. 기타 필요한 위치에 절연막(미도시) 등이 더 배치될 수도 있다. 필요에 따라서는, 반도체칩(120)의 활성면 상에 재배선층(미도시)이 더 형성될 수 있으며, 범프(미도시) 등이 접속패드(122)와 연결된 형태를 가질 수도 있다.
봉합재(130)는 제1연결부재(110), 반도체칩(120) 등을 보호할 수 있다. 봉합형태는 특별히 제한되지 않으며, 제1연결부재(110), 반도체칩(120) 등의 적어도 일부를 감싸는 형태이면 무방하다. 예를 들면, 봉합재(130)는 제1연결부재(110) 및 반도체칩(120)의 비활성면을 덮을 수 있으며, 관통홀(110H)의 벽면과 반도체칩(120)의 측면 사이의 공간을 채울 수 있다. 또한, 봉합재(130)는 반도체칩(120)의 패시베이션막(123)과 제2연결부재(140) 사이의 공간의 적어도 일부를 채울 수도 있다. 봉합재(130)가 관통홀(110H)을 채움으로써, 구체적인 물질에 따라 접착제 역할을 수행함과 동시에 버클링을 감소시킬 수 있다.
봉합재(130)의 재료는 특별히 한정되는 않는다. 예를 들면, 절연물질이 사용될 수 있는데, 이때 절연물질로는 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지, 폴리이미드와 같은 열가소성 수지, 또는 이들 수지가 무기필러와 혼합되거나, 또는 무기필러와 함께 유리섬유(Glass Fiber, Glass Cloth, Glass Fabric) 등의 심재에 함침된 수지, 예를 들면, 프리프레그(prepreg), ABF(Ajinomoto Build-up Film), FR-4, BT(Bismaleimide Triazine) 등이 사용될 수 있다. 필요에 따라서는, 감광성 절연(Photo Imagable Dielectric: PID) 수지를 사용할 수도 있다.
제2연결부재(140)는 반도체칩(120)의 접속패드(122)를 재배선할 수 있다. 제2연결부재(140)를 통하여 다양한 기능을 가지는 수십 수백의 반도체칩(120)의 접속패드(122)가 재배선 될 수 있으며, 접속단자(170)를 통하여 그 기능에 맞춰 외부에 물리적 및/또는 전기적으로 연결될 수 있다. 제2연결부재(140)는 제1연결부재(110) 및 반도체칩(120)의 활성면 상에 배치된 제1절연층(141a), 제1절연층(141a) 상에 배치된 제1재배선층(142a), 제1절연층(141a) 및 반도체칩(120)의 접속패드(122)를 연결하는 제1비아층(143a), 제1절연층(141a) 상에 배치된 제2절연층(141b), 제2절연층(141b) 상에 배치된 제2재배선층(142b), 및 제2절연층(141b)을 관통하며 제1 및 제2재배선층(142a, 142b)을 연결하는 제2비아층(143b)을 포함한다. 제1 및 제2재배선층(142a, 142b)은 반도체칩(120)의 접속패드(122)와 전기적으로 연결된다.
절연층(141a, 141b)의 물질로는 절연물질이 사용될 수 있는데, 이때 절연물질로는 상술한 바와 같은 절연물질 외에도 PID 수지와 같은 감광성 절연물질을 사용할 수도 있다. 즉, 절연층(141a, 141b)은 각각 감광성 절연층일 수 있다. 절연층(141a, 141b)이 감광성의 성질을 가지는 경우, 절연층(141a, 141b)을 보다 얇게 형성할 수 있으며, 보다 용이하게 비아층(143a, 143b)의 파인 피치를 달성할 수 있다. 절연층(141a, 141b)은 긱긱 절연수지 및 무기필러를 포함하는 감광성 절연층일 수 있다. 절연층(141a, 141b)이 다층인 경우, 이들의 물질은 서로 동일할 수 있고, 필요에 따라서는 서로 상이할 수도 있다. 절연층(141a, 141b)이 다층인 경우, 이들은 공정에 따라 일체화 되어 이들 자체로는 경계가 불분명할 수도 있다.
재배선층(142a, 142b)은 실질적으로 접속패드(122)를 재배선하는 역할을 수행할 수 있으며, 형성물질로는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 주석(Sn), 금(Au), 니켈(Ni), 납(Pb), 티타늄(Ti), 또는 이들의 합금 등의 도전성 물질을 사용할 수 있다. 재배선층(142)은 해당 층의 설계 디자인에 따라 다양한 기능을 수행할 수 있다. 예를 들면, 그라운드(GrouND: GND) 패턴, 파워(PoWeR: PWR) 패턴, 신호(Signal: S) 패턴 등을 포함할 수 있다. 여기서, 신호(S) 패턴은 그라운드(GND) 패턴, 파워(PWR) 패턴 등을 제외한 각종 신호, 예를 들면, 데이터 신호 등을 포함한다. 또한, 비아패드 패턴, 접속단자 패드 패턴 등을 포함할 수 있다.
제2연결부재(140)의 재배선층(142a)이 형성된 일 평면 영역에 있어서, 반도체칩(120)의 활성면의 수직방향으로 투영할 때, 반도체칩(120)의 투영면을 팬-인 영역이라 하고 팬-인 영역을 둘러싸는 영역을 팬-아웃 영역이라 하면, 재배선층(142a)은 적어도 팬-인 및 팬-아웃 영역의 경계를 지날 때 선폭이 넓어지는 라인패턴(142aL)을 포함한다. 예를 들면, 재배선층(142a)은 제1선폭(W1)을 갖는 제1라인부 및 제1선폭(W1) 보다 넓은 제2선폭(W2)을 갖는 제2라인부를 갖는 라인패턴(142aL)을 포함할 수 있으며, 이때 라인패턴(142aL)의 제2라인부는 적어도 팬-인 및 팬-아웃 영역의 경계를 지날 수 있다. 다시 말하면, 라인패턴(142aL)은 팬-인 영역 및 팬-아웃 영역의 경계를 지나기 전 제1라인부에서 제2라인부로 선폭이 변하며, 팬-인 영역 및 팬-아웃 영역의 경계를 지난 후 제2라인부에서 제1라인부로 다시 선폭이 변할 수 있다.
보다 구체적으로, 제2연결부재(140)의 재배선층(142a)이 형성된 일 평면 영역에 있어서, 반도체칩(120)의 활성면의 수직방향으로 투영할 때, 반도체칩(120)의 투영면을 R1, 제1연결부재(110)의 투영면을 R2, 반도체칩(120)과 제1연결부재(110) 사이의 관통홀(110H)의 투영면을 R3라 하면, 재배선층(142a) 중 R3 영역을 거쳐 R1 및 R2 영역을 지나는 라인패턴(142aL)은 R3 영역을 거칠 때 선폭이 넓어진다. 예를 들면, 재배선층(142a)은 제1선폭(W1)을 갖는 제1라인부 및 제1선폭(W1) 보다 넓은 제2선폭(W2)을 갖는 제2라인부를 갖는 라인패턴(142aL)을 포함할 수 있으며, 라인패턴(142aL)의 제2라인부의 적어도 일부는 R3 영역과 오버랩 될 수 있다. 따라서, 팬-인 영역과 팬-아웃 영역으로 이루어지는 복잡한 구조의 재배선층(142a)을 형성하는 경우에도 보드레벨 신뢰성을 효과적으로 저감시킬 수 있다. R3 영역에는 제2라인부의 일부가 배치되며, R1 및 R2 영역에는 제1라인부 및 제1라인부와 연결된 제2라인부의 다른 일부가 배치된다. 라인패턴(142aL)은 설계에 따라서 신호라인일 수도 있고, 파워라인일 수도 있다. 각각의 라인패턴(142aL)은 각각의 패드패턴(142aP)과 연결될 수 있다. 한편, 재배선층(142b)의 경우에도 이와 유사하게 라인패턴(142aL) 등이 도입될 수 있음은 물론이다. 즉, 재배선층(142a, 142b) 모두에 라인패턴(142aL) 등이 도입될 수 있다.
제2연결부재(140)의 재배선층(142a)이 형성된 일 평면 영역에 있어서, 팬-인 영역의 모서리, 보다 구체적으로는 R3 영역의 모서리 부분에는 라인패턴(142aL)과 단절된 더미패턴(142aD)이 배치된다. 더미패턴(142aD)은 R1 영역의 모서리 부분과 R2 영역의 R3 영역의 모서리 부분과 인접한 부분에까지 확장되어 배치될 수 있다. 더미패턴(142aD)은 라인패턴(142aL)에 비해 높은 금속 비율을 가지는 등의 이유로 스트레스에 보다 강할 수 있다. 한편, 라인패턴(142aL) 중 해당 부분을 지나치도록 설계 되었던 라인패턴(142aL')은 팬-인 영역의 모서리, 보다 구체적으로는 R3 영역의 모서리 부분에 배치된 더미패턴(142aD)을 우회하도록 배치된다. 따라서, 해당 영역에 걸리는 스트레스의 라인패턴(142aL')에 미치는 영향을 최소화시킬 수 있다. 더미패턴(142aD)은 라인패턴(142aL)과 전기적으로 절연될 수 있다. 더미패턴(142aD) 역시 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 주석(Sn), 금(Au), 니켈(Ni), 납(Pb), 티타늄(Ti), 또는 이들의 합금 등의 도전성 물질로 구성될 수 있다. 더미패턴(142aD)의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 솔리드 패턴, 홀 패턴 등 여러가지 모양을 가질 수 있다. 한편, 도면에는 구체적으로 도시하지 않았으나, 재배선층(142b)의 경우에도 이와 유사하게 라인패턴(142aL)이나 더미패턴(142aD) 등이 도입될 수 있음은 물론이다. 바람직하게는, 재배선층(142a, 142b) 모두에 이러한 라인패턴(142aL)이나 더미패턴(142aD) 등이 도입될 수 있다.
비아층(143a, 143b)는 서로 다른 층에 형성된 재배선층(142), 접속패드(122) 등을 전기적으로 연결시키며, 그 결과 패키지(100A) 내에 전기적 경로를 형성시킨다. 비아(143)의 형성 물질로는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 주석(Sn), 금(Au), 니켈(Ni), 납(Pb), 티타늄(Ti), 또는 이들의 합금 등의 도전성 물질을 사용할 수 있다. 비아(143)는 도전성 물질로 완전히 충전될 수 있으며, 또는 도전성 물질이 비아의 벽을 따라 형성된 것일 수도 있다. 또한, 형상이 테이퍼 형상, 원통형상 등 당해 기술분야에 공지된 모든 형상이 적용될 수 있다.
패시베이션층(150)은 제2연결부재(140)를 외부의 물리적 화학적 손상 등으로부터 보호할 수 있다. 패시베이션층(150)은 제2연결부재(140)의 재배선층(142)의 적어도 일부를 노출시키는 개구부(151)를 가질 수 있다. 이러한 개구부(151)는 패시베이션층(150)에 수십 내지 수천 개 형성될 수 있다. 패시베이션층(150)의 재료는 특별히 한정되는 않는다. 예를 들면, 절연물질이 사용될 수 있는데, 이때 절연물질로는 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지, 폴리이미드와 같은 열가소성 수지, 또는 이들 수지가 무기필러와 혼합되거나, 또는 무기필러와 함께 유리섬유(Glass Fiber, Glass Cloth, Glass Fabric) 등의 심재에 함침된 수지, 예를 들면, 프리프레그(prepreg), ABF(Ajinomoto Build-up Film), FR-4, BT(Bismaleimide Triazine) 등이 사용될 수 있다. 또는, 솔더레지스트(Solder Resist)가 사용될 수도 있다.
언더범프금속층(160)은 접속단자(170)의 접속 신뢰성을 향상시켜주며, 그 결과 패키지(100A)의 보드 레벨 신뢰성을 개선해준다. 언더범프금속층(160)은 패시베이션층(150)의 개구부(151)를 통하여 노출된 제2연결부재(140)의 재배선층(142)과 연결된다. 언더범프금속층(160)은 패시베이션층(150)의 개구부(151)에 공지의 도전성 물질, 즉 금속을 이용하여 공지의 메탈화(Metallization) 방법으로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
접속단자(170)는 팬-아웃 반도체 패키지(100A)를 외부와 물리적 및/또는 전기적으로 연결시킨다. 예를 들면, 팬-아웃 반도체 패키지(100A)는 접속단자(170)를 통하여 전자기기의 메인보드에 실장될 수 있다. 접속단자(170)는 도전성 물질, 예를 들면, 솔더(solder) 등으로 형성될 수 있으나, 이는 일례에 불과하며 재질이 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 접속단자(170)는 랜드(land), 볼(ball), 핀(pin) 등일 수 있다. 접속단자(170)는 다중층 또는 단일층으로 형성될 수 있다. 다중층으로 형성되는 경우에는 구리 필라(pillar) 및 솔더를 포함할 수 있으며, 단일층으로 형성되는 경우에는 주석-은 솔더나 구리를 포함할 수 있으나, 역시 이는 일례에 불과하며 이에 한정되는 것은 아니다.
접속단자(170)의 개수, 간격, 배치 형태 등은 특별히 한정되지 않으며, 통상의 기술자에게 있어서 설계 사항에 따라 충분히 변형이 가능하다. 예를 들면, 접속단자(170)의 수는 접속패드(122)의 수에 따라서 수십 내지 수천 개일 수 있으며, 그 이상 또는 그 이하의 수를 가질 수도 있다. 접속단자(170)가 솔더볼인 경우, 접속단자(170)는 언더범프금속층(160)의 패시베이션층(150)의 일면 상으로 연장되어 형성된 측면을 덮을 수 있으며, 접속 신뢰성이 더욱 우수할 수 있다.
접속단자(170) 중 적어도 하나는 팬-아웃 영역에 배치된다. 팬-아웃 영역이란 반도체칩(120)이 배치된 영역을 벗어나는 영역을 의미한다. 팬-아웃(fan-out) 패키지는 팬-인(fan-in) 패키지에 비하여 신뢰성이 우수하고, 다수의 I/O 단자 구현이 가능하며, 3D 인터코넥션(3D interconnection)이 용이하다. 또한, BGA(Ball Grid Array) 패키지, LGA(Land Grid Array) 패키지 등과 비교하여 패키지 두께를 얇게 제조할 수 있으며, 가격 경쟁력이 우수하다.
한편, 도면에는 도시하지 않았으나, 필요에 따라서는 관통홀(110H)의 벽면에 방열 및/또는 전자파 차폐 목적으로 금속박막을 형성할 수 있다. 또한, 필요에 따라서는 관통홀(110H) 내에 서로 동일하거나 상이한 기능을 수행하는 복수의 반도체칩(120)을 배치할 수도 있다. 또한, 필요에 따라서는 관통홀(110H) 내에 별도의 수동부품, 예컨대 인덕터나 커패시터 등을 배치할 수도 있다. 또한, 필요에 따라서는 패시베이션층(150) 표면 상에 수동부품, 예컨대 인덕터나 커패시터 등을 포함하는 표면실장(SMT) 부품을 배치할 수도 있다.
도 11은 팬-아웃 반도체 패키지의 다른 일례를 개략적으로 나타낸 단면도다.
도면을 참조하면, 다른 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(100B)는 제1연결부재(110)가 제2연결부재(140)와 접하는 제1절연층(111a), 제2연결부재(140)와 접하며 제1절연층(111a)에 매립된 제1재배선층(112a), 제1절연층(111a)의 제1재배선층(112a)이 매립된측의 반대측 상에 배치된 제2재배선층(112b), 제1절연층(111a) 상에 배치되며 제2재배선층(112b)을 덮는 제2절연층(111b), 및 제2절연층(111b) 상에 배치된 제3재배선층(112c)을 포함한다. 제1 내지 제3재배선층(112a, 112b, 112c)은 접속패드(122)와 전기적으로 연결된다. 제1 및 제2재배선층(112a, 112b)과 제2및 제3재배선층(112b, 112c)은 각각 제1 및 제2절연층(111a, 111b)을 관통하는 제1 및 제2비아(113a, 113b)를 통하여 전기적으로 연결된다.
제1재배선층(112a)을 제1절연층(111a) 내에 매립하는 경우, 제1재배선층(112a)의 두께에 의하여 발생하는 단차가 최소화 되는바, 제2연결부재(140)의 절연거리가 일정해진다. 즉, 제2연결부재(140)의 제1재배선층(142a)으로부터 제1절연층(111a)의 하면까지의 거리와, 제2연결부재(140)의 제1재배선층(142a)로부터 반도체칩(120)의 접속패드(122)까지의 거리의 차이는, 제1재배선층(112a)의 두께보다 작을 수 있다. 따라서, 제2연결부재(140)의 고밀도 배선 설계가 용이할 수 있다.
제1연결부재(110)의 제1재배선층(112a)의 하면은 반도체칩(120)의 접속패드(122)의 하면보다 상측에 위치할 수 있다. 또한, 제2연결부재(140)의 제1재배선층(142a)과 제1연결부재(110)의 제1재배선층(112a) 사이의 거리는 제2연결부재(140)의 제1재배선층(142a)과 반도체칩(120)의 접속패드(122) 사이의 거리보다 클 수 있다. 이는 제1재배선층(112a)이 절연층(111)의 내부로 리세스될 수 있기 때문이다. 이와 같이, 제1재배선층(112a)이 제1절연층 내부로 리세스되어 제1절연층(111a)의 하면과 제1재배선층(112a)의 하면이 단차를 가지는 경우, 봉합재(130) 형성물질이 블리딩되어 제1재배선층(112a)을 오염시키는 것을 방지할 수도 있다. 제1연결부재(110)의 제2재배선층(112b)은 반도체칩(120)의 활성면과 비활성면 사이에 위치할 수 있다. 제1연결부재(110)는 반도체칩(120)의 두께에 대응하는 두께로 형성할 수 있으며, 따라서 제1연결부재(110) 내부에 형성된 제2재배선층(112b)은 반도체칩(120)의 활성면과 비활성면 사이의 레벨에 배치될 수 있다.
제1연결부재(110)의 재배선층(112a, 112b, 112c)의 두께는 제2연결부재(140)의 재배선층(142a, 142b)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 제1연결부재(110)는 반도체칩(120) 이상의 두께를 가질 수 있는바, 재배선층(112a, 112b, 112c) 역시 그 스케일에 맞춰 보다 큰 사이즈로 형성할 수 있다. 반면, 제2연결부재(140)의 재배선층(142a, 142b)은 박형화를 위하여 재배선층(112a, 112b, 112c) 보다 상대적으로 작은 사이즈로 형성할 수 있다.
절연층(111a, 111b)의 재료는 특별히 한정되는 않는다. 예를 들면, 절연물질이 사용될 수 있는데, 이때 절연물질로는 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지, 폴리이미드와 같은 열가소성 수지, 또는 이들 수지가 무기필러와 혼합되거나, 또는 무기필러와 함께 유리섬유(Glass Fiber, Glass Cloth, Glass Fabric) 등의 심재에 함침된 수지, 예를 들면, 프리프레그(prepreg), ABF(Ajinomoto Build-up Film), FR-4, BT(Bismaleimide Triazine) 등이 사용될 수 있다. 필요에 따라서는, 감광성 절연(Photo Imagable Dielectric: PID) 수지를 사용할 수도 있다.
재배선층(112a, 112b, 112c)은 반도체칩(120)의 접속패드(122)를 재배선하는 역할을 수행할 수 있다. 재배선층(112a, 112b, 112c)의 형성물질로는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 주석(Sn), 금(Au), 니켈(Ni), 납(Pb), 티타늄(Ti), 또는 이들의 합금 등의 도전성 물질을 사용할 수 있다. 재배선층(112a, 112b, 112c)은 해당 층의 설계 디자인에 따라 다양한 기능을 수행할 수 있다. 예를 들면, 그라운드(GrouND: GND) 패턴, 파워(PoWeR: PWR) 패턴, 신호(Signal: S) 패턴 등을 포함할 수 있다. 여기서, 신호(S) 패턴은 그라운드(GND) 패턴, 파워(PWR) 패턴 등을 제외한 각종 신호, 예를 들면, 데이터 신호 등을 포함한다. 또한, 비아 패드, 와이어 패드, 접속단자 패드 등을 포함할 수 있다.
비아(113a, 113b)는 서로 다른 층에 형성된 재배선층(112a, 112b, 112c)을 전기적으로 연결시키며, 그 결과 제1연결부재(110) 내에 전기적 경로를 형성시킨다. 비아(113a, 113b) 역시 형성물질로는 도전성 물질을 사용할 수 있다. 비아(113a, 113b)는 도전성 물질로 완전히 충전될 수 있으며, 또는 도전성 물질이 비아 홀의 벽면을 따라 형성된 것일 수도 있다. 또한, 테이퍼형상뿐만 아니라, 원통형상 등 공지된 모든 형상이 적용될 수 있다. 제1비아(113a)를 위한 홀을 형성할 때 제1재배선층(112a)의 일부 패드가 스토퍼(stopper) 역할을 수행할 수 있는바, 제1비아(113a)는 윗면의 폭이 아랫면의 폭보다 큰 테이퍼 형상인 것이 공정상 유리할 수 있다. 이 경우, 제1비아(113a)는 제2재배선층(112b)의 패드 패턴과 일체화될 수 있다. 또한, 제2비아(113b)를 위한 홀을 형성할 때 제2재배선층(112b)의 일부 패드가 스토퍼(stopper) 역할을 수행할 수 있는바, 제2비아(113b)는 윗면의 폭이 아랫면의 폭보다 큰 테이퍼 형상인 것이 공정상 유리할 수 있다. 이 경우, 제2비아(113b)는 제3재배선층(112c)의 패드 패턴과 일체화될 수 있다.
그 외에 다른 구성은 상술한 팬-아웃 반도체 패키지(100A) 등에서 설명한 바와 실질적으로 동일한바 자세한 설명은 생략한다.
도 12는 팬-아웃 반도체 패키지의 다른 일례를 개략적으로 나타낸 단면도다.
도면을 참조하면, 다른 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(100C)는 제1연결부재(110)가 제1절연층(111a), 제1절연층(111a)의 양면에 배치된 제1재배선층(112a) 및 제2재배선층(112b), 제1절연층(112a) 상에 배치되며 제1재배선층(112a)을 덮는 제2절연층(111b), 제2절연층(111b) 상에 배치된 제3재배선층(111c), 제1절연층(111a) 상에 배치되어 제2재배선층(112b)을 덮는 제3절연층(111c), 및 제3절연층(111c) 상에 배치된 제4재배선층(112d)을 포함한다. 제1 내지 제4재배선층(112a, 112b, 112c, 112d)는 접속패드(122)와 전기적으로 연결된다. 제1연결부재(110)가 더 많은 수의 재배선층(112a, 112b, 112c, 112d)을 포함하는바, 제2연결부재(140)를 더욱 간소화할 수 있다. 따라서, 제2연결부재(140) 형성 과정에서 발생하는 불량에 따른 수율 저하를 개선할 수 있다. 한편, 제1 내지 제4 재배선층(112a, 112b, 112c, 112d)은 제1 내지 제3 절연층(111a, 111b, 111c)을 각각 관통하는 제1 내지 제3비아(113a, 113b, 113c)를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.
제1절연층(111a)은 제2절연층(111b) 및 제3절연층(111c)보다 두께가 두꺼울 수 있다. 제1절연층(111a)은 기본적으로 강성 유지를 위하여 상대적으로 두꺼울 수 있으며, 제2절연층(111b) 및 제3절연층(111c)은 더 많은 수의 재배선층(112c, 112d)을 형성하기 위하여 도입된 것일 수 있다. 제1절연층(111a)은 제2절연층(111b) 및 제3절연층(111c)과 상이한 절연물질 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1절연층(111a)은 심재, 필러, 및 절연수지를 포함하는, 예컨대, 프리프레그일 수 있고, 제2절연층(111c) 및 제3절연층(111c)은 필러 및 절연수지를 포함하는 ABF 필름 또는 PID 필름일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 유사한 관점에서, 제1절연층(111a)을 관통하는 제1비아(113a)는 제2 및 제3절연층(111b, 111c)을 관통하는 제2및 제3비아(113b, 113c)보다 직경이 클 수 있다.
제1연결부재(110)의 제3재배선층(112c)의 하면은 반도체칩(120)의 접속패드(122)의 하면보다 하측에 위치할 수 있다. 또한, 제2연결부재(140)의 제1재배선층(142a)과 제1연결부재(110)의 제3재배선층(112c) 사이의 거리는 제2연결부재(140)의 제1재배선층(142a)과 반도체칩(120)의 접속패드(122) 사이의 거리보다 작을 수 있다. 제3재배선층(112c)이 제2절연층(111b) 상에 돌출된 형태로 배치될 수 있으며, 그 결과 제2연결부재(140)와 접할 수 있기 때문이다. 제1연결부재(110)의 제1재배선층(112a) 및 제2재배선층(112b)은 반도체칩(120)의 활성면과 비활성면 사이에 위치할 수 있다. 제1연결부재(110)는 반도체칩(120)의 두께에 대응하게 형성할 수 있는바, 제1연결부재(110) 내부에 형성된 제1재배선층(112a) 및 제2재배선층(112b)은 반도체칩(120)의 활성면과 비활성면 사이 레벨에 배치될 수 있다.
제1연결부재(110)의 재배선층(112a, 112b, 112c, 112d)의 두께는 제2연결부재(140)의 재배선층(142a, 142b)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 제1연결부재(110)는 반도체칩(120) 이상의 두께를 가질 수 있는바, 재배선층(112a, 112b, 112c, 112d) 역시 보다 큰 사이즈로 형성할 수 있다. 반면, 제2연결부재(140)의 재배선층(142a, 142b)은 박형화를 위하여 보다 상대적으로 작은 사이즈로 형성할 수 있다.
그 외에 다른 구성은 상술한 팬-아웃 반도체 패키지(100A, 100B) 등에서 설명한 바와 실질적으로 동일한바 자세한 설명은 생략한다.
도 13은 팬-아웃 반도체 패키지의 보드레벨 휨 거동을 개략적으로 나타낸다.
도면을 참조하면, 팬-아웃 반도체 패키지(100')가 보드(200')에 실장 된 경우, 높은 온도에서의 휨 거동과 실온에서의 휨 거동이 다르다는 것을 알 수 있다. 따라서, 팬-인 영역과 팬-아웃 영역으로 이루어지는 복잡한 구조의 재배선층을 형성하는 경우의 보드레벨 신뢰성이 문제될 수 있다. 특히, 휨 거동이 정반대로 주기적으로 바뀌게 상황에서 고정된 영역에 해당하는 R3 영역은 물리적인 스트레스가 가장 크게 축적될 수 있는바, 이러한 신뢰성 문제는 상술한 바와 같이 재배선층이 R1 및 R2 영역을 지나갈 때 거치는 R3 영역에서 가장 클 수 있다. 다만, 상술한 팬-아웃 반도체 패키지들(100A, 100B, 100C)은 R3 영역의 재배선층 설계를 통하여 이러한 보드레벨 신뢰성 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.
본 개시에서 하측, 하부, 하면 등은 편의상 도면의 단면을 기준으로 팬-아웃 반도체 패키지의 실장 면을 향하는 방향을 의미하는 것으로 사용하였고, 상측, 상부, 상면 등은 그 반대 방향으로 사용하였다. 다만, 이는 설명의 편의상 방향을 정의한 것으로, 특허청구범위의 권리범위가 이러한 방향에 대한 기재에 의하여 특별히 한정되는 것이 아님은 물론이다.
본 개시에서 연결된다는 의미는 직접 연결된 것뿐만 아니라, 접착제 층 등을 통하여 간접적으로 연결된 것을 포함하는 개념이다. 또한, 전기적으로 연결된다는 의미는 물리적으로 연결된 경우와 연결되지 않은 경우를 모두 포함하는 개념이다. 또한, 제1, 제2 등의 표현은 한 구성요소와 다른 구성요소를 구분 짓기 위해 사용되는 것으로, 해당 구성요소들의 순서 및/또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 경우에 따라서는 권리범위를 벗어나지 않으면서, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수도 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수도 있다.
본 개시에서 사용된 일례 라는 표현은 서로 동일한 실시 예를 의미하지 않으며, 각각 서로 다른 고유한 특징을 강조하여 설명하기 위해서 제공된 것이다. 그러나, 상기 제시된 일례들은 다른 일례의 특징과 결합되어 구현되는 것을 배제하지 않는다. 예를 들어, 특정한 일례에서 설명된 사항이 다른 일례에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 일례에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 일례에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
본 개시에서 사용된 용어는 단지 일례를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 개시를 한정하려는 의도가 아니다. 이때, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
1000: 전자기기 1010: 메인보드
1020: 칩 관련 부품 1030: 네트워크 관련 부품
1040: 기타 부품 1050: 카메라
1060: 안테나 1070: 디스플레이
1080: 배터리 1090: 신호 라인
1100: 스마트 폰 1101: 스마트 폰 바디
1110: 스마트 폰 메인보드 1111: 메인보드 절연층
1112: 메인보드 배선 1120: 부품
1130: 스마트 폰 카메라 2200: 팬-인 반도체 패키지
2220: 반도체칩 2221: 바디
2222: 접속패드 2223: 패시베이션막
2240: 연결부재 2241: 절연층
2242: 재배선층 2243: 비아
2250: 패시베이션층 2260: 언더범프금속층
2270: 솔더볼 2280: 언더필 수지
2290: 몰딩재 2500: 메인보드
2301: 인터포저 기판 2302: 인터포저기판
2100: 팬-아웃 반도체 패키지 2120: 반도체칩
2121: 바디 2122: 접속패드
2140: 연결부재 2141: 절연층
2142: 재배선층 2143: 비아
2150: 패시베이션층 2160: 언더범프금속층
2170: 솔더볼 100: 반도체 패키지
100A~100C, 100': 팬-아웃 반도체 패키지
110: 연결부재 111, 112a, 112b, 112c: 절연층
112a, 112b, 112c, 112d: 재배선층 113: 비아
120: 반도체칩 121: 바디
122: 접속패드 123: 패시베이션막
130: 봉합재 140: 연결부재
141a, 141b: 절연층 142a, 142b: 재배선층
143a, 143b: 비아층 150: 패시베이션층
151: 개구부 160: 언더범프금속층
170: 접속단자

Claims (15)

  1. 접속패드가 배치된 활성면 및 상기 활성면의 반대측에 배치된 비활성면을 갖는 반도체칩;
    상기 반도체칩의 적어도 일부를 봉합하는 봉합재; 및
    상기 반도체칩의 활성면 상에 배치되며, 상기 반도체칩의 접속패드와 전기적으로 연결된 재배선층을 포함하는 제1연결부재; 를 포함하며,
    상기 재배선층은 제1선폭을 갖는 제1라인부 및 상기 제1라인부와 연결되며 상기 제1선폭 보다 넓은 제2선폭을 갖는 제2라인부를 갖는 라인패턴을 포함하며,
    상기 활성면에 수직인 방향으로 투영할 때, 상기 반도체칩의 투영면을 팬-인 영역이라 하고, 상기 팬-인 영역을 둘러싸는 영역을 팬-아웃 영역이라 하면,
    상기 제2라인부는 적어도 상기 팬-인 및 팬-아웃 영역의 경계를 지나는,
    팬-아웃 반도체 패키지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 라인패턴은 상기 팬-인 영역 및 팬-아웃 영역의 경계를 지나기 전 상기 제1라인부에서 상기 제2라인부로 선폭이 변하며, 상기 팬-인 영역 및 팬-아웃 영역의 경계를 지난 후 상기 제2라인부에서 상기 제1라인부로 선폭이 변하는,
    팬-아웃 반도체 패키지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 팬-인 영역의 모서리에는 상기 라인패턴과 단절된 더미패턴이 배치된,
    팬-아웃 반도체 패키지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 라인패턴 중 적어도 하나는 상기 더미패턴을 우회하여 상기 팬-인 및 팬-아웃 영역의 경계를 지나는,
    팬-아웃 반도체 패키지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1연결부재는 복수의 절연층 및 상기 복수의 절연층 상에 각각 배치된 복수의 재배선층을 포함하며,
    상기 복수의 재배선층 각각은 상기 라인패턴을 포함하는,
    팬-아웃 반도체 패키지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 재배선층 각각의 상기 팬-인 영역의 모서리에는 상기 라인패턴과 단절된 더미패턴이 배치된,
    팬-아웃 반도체 패키지.
  7. 관통홀을 갖는 제1연결부재;
    상기 제1연결부재의 관통홀에 배치되며, 접속패드가 배치된 활성면 및 상기 활성면의 반대측에 배치된 비활성면을 갖는 반도체칩;
    상기 제1연결부재 및 상기 반도체칩의 적어도 일부를 봉합하는 봉합재; 및
    상기 제1연결부재 및 상기 반도체칩의 활성면 상에 배치되며, 상기 반도체칩의 접속패드와 전기적으로 연결된 재배선층을 포함하는 제2연결부재; 를 포함하며,
    상기 재배선층은 제1선폭을 갖는 제1라인부 및 상기 제1라인부와 연결되며 상기 제1선폭 보다 넓은 제2선폭을 갖는 제2라인부를 갖는 라인패턴을 포함하며,
    상기 제2연결부재의 상기 재배선층이 형성된 일 평면 영역에 있어서,
    상기 반도체칩의 활성면에 수직인 방향으로 투영할 때, 상기 반도체칩의 투영면을 R1, 상기 제2연결부재의 투영면을 R2, 및 상기 반도체칩과 상기 제2연결부재 사이의 관통홀의 투영면을 R3라 하면,
    상기 라인패턴의 제2라인부의 적어도 일부는 상기 R3 영역과 오버랩 되는,
    팬-아웃 반도체 패키지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 R3 영역에는 상기 제2라인부의 일부가 배치되며,
    상기 R1 및 R2 영역에는 상기 제1라인부 및 상기 제1라인부와 연결된 상기 제2라인부의 다른 일부가 배치된,
    팬-아웃 반도체 패키지.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 R3 영역의 모서리 부분에는 상기 라인패턴과 단절된 더미패턴이 배치된,
    팬-아웃 반도체 패키지.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1연결부재는, 제1절연층, 상기 제2연결부재와 접하며 상기 제1절연층에 매립된 제1재배선층, 및 상기 제1절연층의 상기 제1재배선층이 매립된측의 반대측 상에 배치된 제2재배선층, 을 포함하며,
    상기 제1 및 제2재배선층은 상기 접속패드와 전기적으로 연결된,
    팬-아웃 반도체 패키지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1연결부재는, 상기 제1절연층 상에 배치되며 상기 제2재배선층을 덮는 제2절연층, 및 상기 제2절연층 상에 배치된 제3재배선층, 을 더 포함하며,
    상기 제3재배선층은 상기 접속패드와 전기적으로 연결된,
    팬-아웃 반도체 패키지.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1재배선층의 하면은 상기 제1절연층의 하면과 단차를 가지는,
    팬-아웃 반도체 패키지.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1연결부재는, 제1절연층, 상기 제1절연층의 양면에 배치된 제1재배선층 및 제2재배선층, 상기 제1절연층 상에 배치되며 상기 제1재배선층을 덮는 제2절연층, 및 상기 제2절연층 상에 배치된 제3재배선층, 을 포함하며,
    상기 제1 내지 제3재배선층은 상기 접속패드와 전기적으로 연결된,
    팬-아웃 반도체 패키지.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1연결부재는, 상기 제1절연층 상에 배치되어 상기 제2재배선층을 덮는 제3절연층, 및 상기 제3절연층 상에 배치된 제4재배선층, 을 더 포함하며,
    상기 제4재배선층은 상기 접속패드와 전기적으로 연결된,
    팬-아웃 반도체 패키지.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제1절연층은 상기 제2절연층 보다 두께가 두꺼운,
    팬-아웃 반도체 패키지.
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