WO2016208847A1

WO2016208847A1 - 반도체 칩 패키지의 솔더 접합 신뢰성 증가를 위한 솔더 패드 구조

Info

Publication number: WO2016208847A1
Application number: PCT/KR2016/002682
Authority: WO
Inventors: 김영국
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2016-12-29
Also published as: KR101652900B1

Abstract

본 발명은 반도체 칩 패키지의 솔더 접합 신뢰성 증가를 위한 솔더 패드 구조에 관한 것으로, 반도체 칩 패키지의 하부에 형성되는 제1 솔더패드와, 상기 반도체 칩 패키지가 실장되는 인쇄회로기판의 일면에 상기 제1 솔더패드에 대응되게 구비되어 솔더가 접합되는 제2 솔더패드 구조에 있어서, 상기 제1 솔더패드는 돔 형상으로 볼록하게 하향 돌출되어 솔더의 상부면이 접합되는 제1 접합부가 형성되고, 상기 제2 솔더패드는 돔 형상으로 볼록하게 상향 돌출되어 솔더의 하부면 접합되는 제2 접합부가 형성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 반도체 칩 패키지를 인쇄회로기판(PCB)에 실장시에 솔더와 접합되는 솔더패드의 경계면의 형상을 돌출되는 돔 구조를 채택하여 외부 열, 진동 및 충격에 의해 솔더와 패드간에 발생하는 응력을 최소화하여 전장품의 신뢰성이 크게 향상되는 효과가 있다.

Description

반도체 칩 패키지의 솔더 접합 신뢰성 증가를 위한 솔더 패드 구조

본 발명은 반도체 칩 패키지의 솔더 접합 신뢰성 증가를 위한 솔더 패드 구조에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 반도체 칩 패키지를 인쇄회로기판(PCB)에 실장시에 솔더와 접합되는 솔더패드의 경계면의 형상을 조절하여 외부 열, 진동 및 충격에 의해 솔더와 패드간에 발생하는 응력을 최소화할 수 있는 솔더 패드 구조에 관한 것이다.

최근 전기전자 장치가 자동차 엔진 조절장치, 휴대폰, 웨어러블 디바이스 등에서 광범위하게 사용되고 있다. 이와 같은 전기전자 장치는 고집적화를 위한 반도체 칩 패키지가 많이 사용되고 있다.

이와 같은 전기전자 장치의 하드웨어 설계 시 중요한 과정 중 하나가 바로 PCB를 설계하는 것이며, 많은 주요 부품들이 BGA(Ball Grid Array) 패키지를 사용하고 있다. BGA 패키지의 랜드를 적절하게 설계하는 것이 하드웨어 조립 품질을 결정하는 요인 중 하나라 할 수 있다.

이와 같은 BGA 반도체패키지는 공개특허 제10-2005-0028613호 및 공개특허 특2000-0008347호에서 제안된 바와 같이 통상 BGA(Ball Grid Array) 패키지의 저면에 볼(ball) 형상의 솔더가 부착되는 구조로 이루어진다.

한편, 상기 BGA 반도체패키지는 PCB(P)의 일측면(배면)에 실장되어 신호를 입출할 수 있도록 BGA 반도체패키지의 솔더가 안착되는 복수의 솔더패드가 구비되는 PCB(P)의 일측면(배면)에 실장된다.

이때 BGA 반도체패키지의 솔더가 솔더패드에 융착 구비되어 신호 인출단자의 기능을 갖게 되므로, BGA 반도체패키지에 안착되는 솔더는 PCB에 형성된 솔더패드에 정확한 위치로 안착되어야 안정된 제품의 BGA 반도체패키지를 구현할 수 있다.

이와 같은 BGA 반도체패키지와 같은 반도체 칩 패키지가 실장된 전기전자 장치는 통상 외부의 온도, 습도 등에 쉽게 노출되며, 특히 자동차의 경우 엔진에서 발생하는 진동과 충격, 그리고 휴대폰의 경우 실수로 인해 떨어트릴 때 발생하는 충격 등 기계적 힘에 의해 파손을 일으킬 수 있다.

이러한 진동과 충격에 노출될 때 가장 치명적인 파손이 반도체 칩 패키지를 연결하는 솔더(Solder)의 파손이다.

도 1은 응력 발생으로 인한 종래 솔더와 솔더패드의 경계면 균열 상태를 도시한 도면이다. 이에 의하면 반도체 칩 패키지의 하부에 형성되는 제1 솔더패드(10)와 인쇄회로기판(PCB)의 일면에 형성되는 제2 솔더패드(20) 사이에 위치하는 볼(ball) 형상의 솔더(30)의 경계면은 열 또는 진동과 충격에 의해 솔더(30)의 균열이 발생함을 알 수 있다. 이와 같은 솔더(30)의 균열 발생 이유는 도 2에 도시된 바와 같이 일반적으로 솔더(30)가 접합되는 제1 및 제2솔더패드(10,20)의 표면이 평평하여 볼(ball) 형상의 솔더(30)가 부착된 면을 따라 균열이 발생하기 때문이다.

따라서 이와 같은 볼(ball) 형상의 솔더(30)가 부착되는 제1 및 제2솔더패드(10,20)의 가장자리의 응력 발생을 최소화하는 것이 하드웨어 조립 품질을 장기간 유지하여 신뢰성을 확보할 수 있는 중요한 요인이다.

따라서, 이러한 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 반도체 칩 패키지를 인쇄회로기판(PCB)에 실장시에 볼(ball) 형상의 솔더(30)가 접합되는 솔더패드의 경계면의 형상을 조절하여 열, 진동 및 충격에 의해 발생하는 솔더와 패드간에 발생하는 응력을 최소화할 수 있는 반도체 칩 패키지의 솔더 접합 신뢰성 증가를 위한 솔더 패드 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

반도체 칩 패키지의 하부에 형성되는 제1 솔더패드와, 상기 반도체 칩 패키지가 실장되는 인쇄회로기판의 일면에 상기 제1 솔더패드에 대응되게 구비되어 솔더가 접합되는 제2 솔더패드 구조에 있어서, 상기 제1 솔더패드는 돔 형상으로 볼록하게 하향 돌출되어 솔더의 상부면이 접합되는 제1 접합부가 형성되고, 상기 제2 솔더패드는 돔 형상으로 볼록하게 상향 돌출되어 솔더의 하부면 접합되는 제2 접합부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1 접합부와 제2 접합부는 대칭되게 형성되는 것을 특징으로 하는 한다.

그리고, 상기 제1 접합부와 제2 접합부는 일측은 원호형상 일측은 포물선 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 접합부와 제2 접합부는 서로 다른 높이로 형성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 제1 솔더패드는 원기둥 형상으로 하향 돌출되는 제1 지지부와, 상기 제1 지지부의 단부에 돔형상으로 하향 돌출되는 제1 접합부로 이루어지며; 상기 제2 솔더패드는 원기둥 형상으로 상향 돌출되는 제2 지지부와, 상기 제2 지지부의 단부에 돔형상으로 상향 돌출되는 제2 접합부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 반도체 칩 패키지를 인쇄회로기판(PCB)에 실장시에 솔더와 접합되는 솔더패드의 경계면의 형상을 돌출되는 돔 구조를 채택하여 외부 열, 진동 및 충격에 의해 솔더와 패드간에 발생하는 응력을 최소화하여 전장품의 신뢰성이 크게 향상되는 효과가 있다.

도 1은 종래 솔더와 솔더패드의 응력 발생시 경계면에서 균열 상태를 도시한 도면이다.

도 2는 종래 솔더와 솔더패드의 접합구조를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 반도체 칩 패키지의 솔더 접합 신뢰성 증가를 위한 솔더패드의 구조를 도시한 도면이다.

도 4는 볼(ball) 형상의 솔더의 응력을 모사하기 위한 PBGA 유한요소 모델을 도시한 도면이다.

도 5는 열 또는 물리적 하중에 의한 PBGA의 응력 발생을 모델링한 도면이다.

도 6은 종래 솔더에서 발생하는 응력 분포를 모델링한 예를 도시한 도면이다.

도 7은 본 발명에 따른 반도체 칩 패키지의 솔더 접합 신뢰성 증가를 위한 솔더에서 발생하는 응력 분포를 모델링한 예를 도시한 도면이다.

도 8은 도 6 및 도 7의 각 솔더를 확대한 도면이다.

도 9는 물리적 힘에 의한 수직응력 분포 그래프이다.(case1 : 종래의 평평한 솔더, case 2 : 본원 발명의 오목한 솔더)

도 10은 물리적 힘에 의한 전단응력 분포 그래프이다.(case1 : 종래의 평평한 솔더, case 2 : 본원 발명의 오목한 솔더)

도 11은 온도 변화에 의한 수직응력 분포 그래프이다.(case1 : 종래의 평평한 솔더, case 2 : 본원 발명의 오목한 솔더)

도 12는 온도 변화에 의한 전단응력 분포 그래프이다.(case1 : 종래의 평평한 솔더, case 2 : 본원 발명의 오목한 솔더)

이하, 본 발명에 따른 반도체 칩 패키지의 솔더 접합 신뢰성 증가를 위한 솔더 패드 구조를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명에 따른 반도체 칩 패키지의 솔더 접합 신뢰성 증가를 위한 솔더패드의 구조를 도시한 도면이고, 도 4는 솔더볼의 응력을 모사하기 위한 PBGA 유한요소 모델을 도시한 도면이다.

이에 의하면 본 발명에 따른 반도체 칩 패키지의 솔더 접합 신뢰성 증가를 위한 솔더 패드 구조는 반도체 칩 패키지(100)의 하부에 형성되는 제1 솔더패드(110)와, 반도체 칩 패키지(100)가 실장되는 인쇄회로기판(200)의 일면에 상기 제1 솔더패드(110)에 대응되는 위치에 구비되는 제2 솔더패드(210)로 이루어진다.

이때, 상기 제1 솔더패드(110)는 솔더(300)의 상부면이 접합되고, 상기 제2 솔더패드(210)는 솔더(300)의 하부면이 접합된다.

한편, 상기 반도체 칩 패키지(100)는 반도체 패키지용 기판(Substrate)(102)에 하부에는 단면이 원호 또는 포물선 형상을 갖춘 돔 형상으로 볼록하게 하향 돌출되는 제1 솔더패드(110)가 구비되고, 반도체 패키지용 기판(Substrate)(102)의 상부에는 반도체 칩(104)을 부착하고 와이어 본딩 등을 수행한 후 EMC 수지 등을 이용해 몰딩부(106)를 형성하여서 제조된다.

이와 같은 제1 솔더패드(110)와 제2 솔더패드(210) 사이에는 볼(ball) 형상의 솔더(300)가 위치하게 되는데, 외부에서의 열, 진동 및 충격에 의해 발생하는볼(ball) 형상의 솔더(300)와 제1 및 제2 솔더패드(110,210) 패드간에 경계면에서 발생하는 응력을 최소화하기 위해 상기 제1 솔더패드(110)의 단부에는 단면이 원호 또는 포물선 형상을 갖춘 돔(dome) 형상으로 볼록하게 하향 돌출되어 솔더의 상부가 접합되는 제1 접합부(112)가 형성되고, 상기 제2 솔더패드(210)의 단부에는 단면이 원호 또는 포물선 형상을 갖춘 돔 형상으로 볼록하게 상향 돌출되어 솔더(300)의 하부가 접합되는 제2 접합부(212)가 형성된다.

이때, 상기 제1 접합부(112)와 제2 접합부(212)는 볼(ball) 형상의 솔더(300)가 접합되는 부위로서 동일한 형상으로 대칭되게 이루어진다.

상기 제1 솔더패드(110)는 일 예로 볼(ball) 형상의 솔더(300)의 직경이 0.6mm인 경우 반도체 패키지용 기판(Substrate)(102) 저면에 일 예로 두께 0.11mm, 폭 0.5mm의 원기둥 형상으로 하향 돌출되게 제1 지지부(114)가 형성될 수 있으며, 상기 제1 지지부(114)의 단부에 중심부의 높이가 예를 들어 0.3mm 하향돌출되도록 돔형상으로 제1 접합부(112)가 형성될 수 있다.

물론 상기 제2 솔더패드(210) 역시 제1 솔더패드(110)와 대칭되는 구조로서, 일 예로 볼(ball) 형상의 솔더(300)의 직경이 0.6mm인 경우 인쇄회로기판(200)의 일면에 일 예로 두께 0.11mm, 폭 0.5mm의 원기둥 형상으로 상향 돌출되게 제2 지지부(214)가 형성될 수 있으며, 상기 제2 지지부(214)의 단부에 중심부의 높이가 예를 들어 0.3mm 상향 돌출되도록 돔 형상으로 제2 접합부(212)가 형성될 수 있다.

이때, 제1 및 제2 솔더패드(110,210)은 납땜이 가능한 구리(Cu)로 형성함이 바람직하나, 필요에 따라서는 납땜이 가능한 주석(Sn), 니켈(Ni) 또는 이들의 합금 소재로 이루어짐도 가능하다.

그리고, 상기 제1 솔더패드(110)와 제2 솔더패드(210)는 서로 대칭될 수도 있고, 그 형상에서 서로 차이가 나도록 일측은 완전한 원호형상으로 형성되고, 타측은 포물선 형상으로 형성될 수도 있고, 서로 동일한 형상이나 제1,2 접합부(112,212)의 높이가 서로 다르게 형성되는 등 상황에 따라 다양하게 형성될 수 있다.

이와 같은 구조에 의하면 솔더의 리플로우공정을 통해 반도체 칩 패키지(100)를 인쇄회로기판(200)에 실장시에 솔더(300)의 응력 발생을 최소화할 수 있다.

이상의 볼(ball) 형상의 솔더(300)의 응력을 모사하기 위한 PBGA 유한요소 모델을 이용하여 온도의 변화를 가한 결과, 도 5에 도시된 바와 같이 온도의 변화또는 물리적 힘에 의해 발생한 모델의 변형을 전체적으로 확인할 수 있다.

이때 PBGA 유한요소 모사를 이용해 종래 일반적인 평평한 구조의 솔더 패드 구조와, 본 발명에서와 같은 돔 형상으로 돌출된 솔더 패드 구조에 대해 온도를 30℃에서 120℃로 증가시켰을 때 열 변형에 의해 솔더(300)에 발생한 응력과 모델의 끝부분에 100 뉴튼의 힘을 가할 때 솔더(300)에 발행한 응력을 계산하였다.

그 결과 도 6은 종래 평평한 구조의 솔더에서 발생하는 응력 분포를 모델링한 예를 도시한 도면으로서, 최대 응력이 솔더와 패드가 접합된 바깥 경계면에서 발생함을 확인할 수 있다.

이에 반해 도 7은 본 발명에 따른 반도체 칩 패키지의 솔더 접합 신뢰성 증가를 위해 경계면 즉 접합면이 볼록한 구조의 솔더에서 발생하는 응력 분포를 모델링한 예를 도시한 도면이다. 이에 의하면 솔터패드(110,210)와 접하는 부분에 전체적으로 고르게 응력이 분포되며, 솔더(300)와 제1 및 제2 솔더패드(110,210)가 접합된 바깥 경계면에서 발생하는 최대 응력이 색을 비교할 때 보다 푸른색에 가깝게 형성되므로, 평평한 구조에서 발생하는 응력보다 확연히 감소됨을 알 수 있다. 이러한 결과는 간단하게 제1 및 제2 솔더패드(110,210)의 형상을 바꿔 줌으로써 전장품의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있음을 증명해준다.

한편, 도 8에 도시된 바와 같이 평평한 형태와 오목한 형태의 솔더(300)에 발생한 응력을 확대하여 보여주는 것으로 보다 정확한 응력 비교를 위하여 솔더(300)의 중심선을 따라 구해지는 응력을 비교하여 보았다.

여기서, 도 9 및 도 10은 물리적 힘이 가해졌을 때 발생하는 수직 응력과 전단응력을 보여주는 그래프로서, 솔더의 한쪽 가장자리에서 다른 쪽 가장자리까지 발생하는 응력을 거리에 따라 표시하였다. (case1 : 종래의 평평한 솔더, case 2 : 본원 발명의 오목한 솔더)

결과에 의하면 전체적으로 수직응력과 전단응력이 종래의 솔더와 비교할 때, 모두 감소하였음을 볼 수 있고, 특히 가장자리에서 발생하는 수직 응력이 현저히 작아짐에 따라 균열을 일으킬 가능성이 크게 줄일 수 있다.

그리고, 도 11 및 도 12는 온도의 변화에 의하여 발생하는 수직 응력과 전단 응력을 보여주는 그래프로서, 솔더의 한쪽 가장자리에서 다른 쪽 가장자리까지 발생하는 응력을 거리에 따라 표시하였다. (case1 : 종래의 평평한 솔더, case 2 : 본원 발명의 오목한 솔더)

결과에 의하면 물리적 힘에 의한 응력과 같이 본원 발명의 오목한 솔더가 종래의 평평한 솔더보다 응력 발생이 현저히 줄어드는 것을 볼 수 있으며, 이와 같이 응력 발생이 감소됨에 따라 신뢰성을 크게 증가시킬 수 있게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

반도체 칩 패키지의 하부에 형성되는 제1 솔더패드와, 상기 반도체 칩 패키지가 실장되는 인쇄회로기판의 일면에 상기 제1 솔더패드에 대응되게 구비되어 솔더가 접합되는 제2 솔더패드 구조에 있어서,

상기 제1 솔더패드는 돔 형상으로 볼록하게 하향 돌출되어 솔더의 상부면이 접합되는 제1 접합부가 형성되고, 상기 제2 솔더패드는 돔 형상으로 볼록하게 상향 돌출되어 솔더의 하부면 접합되는 제2 접합부가 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 패키지의 솔더 접합 신뢰성 증가를 위한 솔더 패드 구조.
제 1항에 있어서,

상기 제1 접합부와 제2 접합부는 대칭되게 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 패키지의 솔더 접합 신뢰성 증가를 위한 솔더 패드 구조.
제 1항에 있어서,

상기 제1 접합부와 제2 접합부는 일측은 원호형상 일측은 포물선 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 패키지의 솔더 접합 신뢰성 증가를 위한 솔더 패드 구조.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 접합부와 제2 접합부는 서로 다른 높이로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 패키지의 솔더 접합 신뢰성 증가를 위한 솔더 패드 구조.
제 1항에 있어서,

상기 제1 솔더패드는 원기둥 형상으로 하향 돌출되는 제1 지지부와, 상기 제1 지지부의 단부에 돔형상으로 하향 돌출되는 제1 접합부로 이루어지며;

상기 제2 솔더패드는 원기둥 형상으로 상향 돌출되는 제2 지지부와, 상기 제2 지지부의 단부에 돔형상으로 상향 돌출되는 제2 접합부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반도체 칩 패키지의 솔더 접합 신뢰성 증가를 위한 솔더 패드 구조.