KR100336576B1 - 웨이퍼 레벨 패키지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 웨이퍼 레벨 패키지를 개시한다. 개시된 본 발명은, 반도체 칩의 표면에 복수개의 본드 패드들이 형성된다. 각 본드 패드가 노출되도록 하부 절연층이 반도체 칩 표면에 도포된다. 일단이 본드 패드와 연결되고 타단에는 본딩 랜드가 형성된 금속 패턴들이 하부 절연층상에 증착된다. S자 형태의 금속 와이어 하단이 금속 패턴의 본딩 랜드에 본딩된다. 금속 와이어의 상단이 노출되도록, 저탄성계수를 갖는 상부 절연층이 하부 절연층상에 형성된다. 노출된 금속 와이어의 상단에 솔더 볼이 마운트된다.

Description

웨이퍼 레벨 패키지{WAFER LEVEL PACKAGE}

본 발명은 웨이퍼 레벨 패키지에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 웨이퍼상태에서 각종 패키징 공정이 실시되는 웨이퍼 레벨 패키지에 관한 것이다.

기존의 일반적인 패키지는 웨이퍼를 먼저 스크라이브 라인을 따라 절단하여 개개의 반도체 칩으로 분리한 후, 개개의 반도체 칩별로 여러 가지 패키징 공정을 실시하는 것에 의해 제조되었다.

그러나, 상기된 기존의 패키지는 개개의 반도체 칩별로 많은 단위 공정이 실시되어야 하기 때문에, 하나의 웨이퍼에서 제조되는 반도체 칩들을 고려하게 되면, 공정수가 너무 많다는 문제점을 안고 있다.

그래서, 최근에는 웨이퍼를 먼저 절단하지 않고 웨이퍼 상태에서 상기된 패키징 공정을 우선적으로 실시한 후, 최종적으로 스크라이브 라인을 따라 절단하여 패키지를 제조하는 방안이 제시되었다. 이러한 방법으로 제조된 패키지를 웨이퍼 레벨 패키지라 하는데, 이러한 웨이퍼 레벨 패키지중 종래의 2가지 유형을 도 1 및 도 2를 참고로 해서 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1에 도시된 패키지는 외부 접속 단자로서 솔더 볼(6)을 갖는 구조이다. 웨이퍼(1) 표면에는 실리콘 질화막인 보호막이 도포되어 있다. 웨이퍼(1)에 구성된 복수개의 반도체 칩의 본드 패드(2)는 보호막에 형성된 홈을 통해 노출되어 있다.

보호막 전체 표면에 하부 절연층(3)이 도포되고, 본드 패드(2) 상부에 위치한 하부 절연층(3) 부분이 식각되어, 본드 패드(2)가 노출된다. 하부 절연층(4)상에 금속막이 증착되고 이 금속막이 패터닝되어, 일단이 본드 패드(2)에 전기적으로 연결된 금속 패턴(4)이 형성된다. 금속 패턴(4)의 타단은 원형의 볼 랜드를 갖는다. 하부 절연층(3) 표면에 상부 절연층(5)이 도포되고, 금속 패턴(4)의 타단 상부, 즉 볼 랜드에 위치한 상부 절연층(5) 부분이 식각되어 비아홀이 형성되므로써, 볼 랜드가 비아홀을 통해서 노출된다. 솔더 볼(6)이 볼 랜드상에 마운트된다.

이러한 공정은 웨이퍼 레벨에서 실시되고, 마지막으로 스크라이브 라인을 따라 웨이퍼(1)를 절단하여 개개의 반도체 칩으로 분리하므로써, 웨이퍼 레벨 패키지가 완성된다.

한편, 도 2에 도시된 패키지는 외부 접속 단자로서 금속 와이어(7)를 갖는다. 금속 패턴(4)이 형성된 구조까지는 도 1과 동일하고, 다만 금속 패턴(4)의 볼 랜드에 금속 와이어(7)의 하단이 본딩된다. 금속 와이어(7)의 타단이 외부 기기, 즉 보드에 실장되는 외부 접속 단자가 된다.

금속 와이어(7)는 단층 구조가 되면 강도적인 측면에서 매우 취약하므로, 이를 보완하기 위해서 도 3에 도시된 바와 같이, 3층 구조가 된다. 즉, 금속 와이어는 내부로부터 금(7a), 니켈(7b) 및 금(7c)으로 배치된 3층 구조로 이루어진다.

그런데, 도 1에 도시된 웨이퍼 레벨 패키지는 솔더 볼의 접합 강도가 매우 취약하다. 그 이유는 다음과 같다. 종래에는 금속 패턴이 서로 분리된 2개의 절연층에 의해 상하에서 지지되므로 금속 패턴의 지지 구조가 매우 취약하다. 따라서, 볼 랜드는 상부 절연층에서 노출되는 금속 패턴의 일부가 되므로, 이러한 볼 랜드에 마운트된 솔더 볼의 접합 강도가 매우 취약하게 된다.

특히, 솔더 볼이 크랙되는 주된 요인은 솔더 볼이 보드에 마운트된 후, 수평방향으로 작용하는 전단 응력을 받기 때문이다. 이러한 이유는, 반도체 칩의 열팽창계수가 3ppm인데 비해서 보드의 열팽창계수는 14ppm으로 매우 높기 때문이다. 따라서, 보드가 반도체 칩보다 매우 많이 팽창되므로, 그 사이에 배치된 솔더 볼이 측면으로부터 전단 응력을 심하게 받아서, 솔더 볼에 크랙이 발생되는 문제점이 있었다.

이와 같이, 웨이퍼 레벨 패키지에서 솔더 볼의 접합 강도 측면에서 문제가 있는데도, 굳이 솔더 볼을 계속 사용하는 이유는 리드 프레임과 같은 다른 수단보다 솔더 볼이 전기 신호 전달 경로를 단축시킬 수 있기 때문이다. 전기 신호 전달 경로의 단축은 반도체 칩이 고집적화되어 감에 따라 필연적으로 요구되는 사항이다.

이와 같이, 솔더 볼을 이용한 패키지에서 우선적으로 해결해야 될 문제가 바로 전술된 솔더 볼의 접합 강도이다. 이러한 문제를 해소하기 위해서는, 현재로서는 응력 흡수층의 두께를 늘이는 방법 외에는 제시된 방안이 별로 없다. 웨이퍼 레벨 패키지에서 응력 흡수층이란 바로 보드의 열팽창계수와 거의 동일한 열팽창계수를 갖는 절연층을 의미한다.

그러므로, 절연층의 두께를 두껍게 형성하기만 하면 상기된 문제가 해소될 것으로 일견 생각될 수 있지만, 바로 이 점에 있어서 현재의 기술로는 해결될 수 없는 장애가 있다. 그 장애란 절연층의 두께가 20㎛ 이하로 제한된다는 것이다. 그 이유는, 절연층, 특히 하부 절연층의 두께를 너무 두껍게 형성하게 되면, 두꺼운 하부 절연층을 부분 식각하여 본드 패드 전체를 완벽하게 노출시키기가 매우 곤란하기 때문이다. 설사, 본드 패드가 하부 절연층으로부터 노출된다고 하더라도, 금속막을 매우 깊게 위치한 본드 패드에 정확하게 접촉시키기가 곤란하다는 공정상의 새로운 문제가 유발된다.

한편, 도 2에 도시된 패키지는 솔더 볼을 사용하지 않으므로 전술된 문제는 없으나, 비록 3중 구조라 해도 금속 와이어 자체의 강도가 취약해서 외부 충격에 의해 손쉽게 파손되는 문제가 있다. 특히, 금속 와이어의 횡단면적이 너무 좁아서, 접촉 면적이 줄어드는 관계로 접합 강도 측면에서도 상당한 취약점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기된 종래의 웨이퍼 레벨 패키지들이 안고 있는 제반 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 솔더 볼과 금속 와이어가 안고 있는 문제는 배제하면서 그들이 갖고 있는 장점만을 채용하여, 열적 응력에 대한 내구성을 확보함과 아울러 접합 강도도 강화시킬 수 있는 웨이퍼 레벨 패키지를 제공하는데 목적이 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 웨이퍼 레벨 패키지의 2가지 유형을 나타낸 단면도.

도 3은 도 2에 도시된 웨이퍼 레벨 패키지에 사용되는 금속 와이어의 내부 구조를 나타낸 단면도.

도 4 내지 도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 웨이퍼 레벨 패키지를 제조 공정 순서대로 나타낸 단면도.

도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 웨이퍼 레벨 패키지를 제조 공정 순서대로 나타낸 단면도.

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

10 ; 웨이퍼 11 ; 본드 패드

20 ; 하부 절연층 30 ; 금속 패턴

40 ; 금속 와이어 50 ; 상부 절연층

70 ; 접합 보조층 80 ; 솔더 볼

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 웨이퍼 레벨 패키지는 다음과 같은 구성으로 이루어진다.

반도체 칩의 표면에 복수개의 본드 패드들이 형성된다. 각 본드 패드가 노출되도록 하부 절연층이 반도체 칩 표면에 도포된다. 일단이 본드 패드와 연결되고 타단에는 본딩 랜드가 형성된 금속 패턴들이 하부 절연층상에 증착된다. S자 형태의 금속 와이어 하단이 금속 패턴의 본딩 랜드에 본딩된다. 금속 와이어의 상단이 노출되도록, 저탄성계수를 갖는 상부 절연층이 하부 절연층상에 형성된다. 노출된금속 와이어의 상단에 솔더 볼이 마운트된다.

상기된 본 발명의 구성에 의하면, 금속 와이어가 저탄성계수를 갖는 상부 절연층으로 지지를 받게 되므로써, 금속 와이어를 지지하는 강도가 강화되고, 또한 두꺼운 상부 절연층이 열적 응력을 흡수하는 기능을 하게 되어 솔더 볼에 크랙이 발생되는 현상이 억제된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 설명한다.

[실시예 1]

도 4 내지 도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 웨이퍼 레벨 패키지를 제조 공정 순서대로 나타낸 단면도이다.

도 4를 참조로, 복수개의 반도체 칩이 구성된 웨이퍼(10) 표면에 하부 절연층(20)을 도포한 후 이를 식각하여, 각 반도체 칩의 본드 패드(11)를 노출시킨다. 그런 다음, 금속막을 하부 절연층(20) 표면에 증착한 후 이를 패터닝하여, 일단이 본드 패드(11)와 전기적으로 연결된 금속 패턴(30)을 형성한다. 금속 패턴(30)의 타단은 본딩 랜드를 갖는다.

이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, S자 형태의 금속 와이어(40)의 하단을 금속 패턴(30)의 본딩 랜드에 본딩한다. 그런 다음, 도 6과 같이 하부 절연층(20)의 상부 영역에 저탄성계수를 갖는 폴리머 계열의 상부 절연층(50)을 도포하여, 금속 와이어(40)의 상단이 상부 절연층(50)에 수용되어 노출되지 않도록 한다. 상부 절연층(50)의 두께는 S자 형태의 금속 와이어(40)의 높이에 의존되므로, 응력 흡수 기능을 하는 상부 절연층(50)의 두께를 높이기 위해 금속 와이어(40)의 높이를 적절하게 설정하는 것이 중요하다.

이어서, 도 7과 같이 상부 절연층(50) 상에 포토레지스트 패턴(60)을 형성하고, 이 포토레지스트 패턴(60)을 이용해서 노광 공정을 실시하여, 도 8과 같이 금속 와이어(40)의 상단을 상부 절연층(50)으로부터 노출시킨다. 이러한 노광 공정이 완료되면, 스트립 공정을 통해서 포토레지스트 패턴(60)을 제거한다.

마지막으로, 도 9에 도시된 바와 같이 솔더 볼(80)을 노출된 금속 와이어(40)의 상단에 마운트한 후, 스크라이브 라인을 따라 웨이퍼(10)를 절단하여 개개의 반도체 칩으로 분리한다.

[실시예 2]

도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 웨이퍼 레벨 패키지를 제조 공정 순서대로 나타낸 단면도이다.

실시예 1에서는 솔더 볼(80)이 금속 와이어(40)의 상단에 직접 마운트되므로, 솔더 볼(80)과 금속 와이어(40)간의 접촉 면적이 좁아서 접합 강도 측면에서 약간 문제가 있을 수 있다.

이러한 문제 해결을 위해, 본 실시예 2에서는 도 10에서와 같이 금속 와이어(40)의 상단을 노출시키기 위해 상부 절연층(50)에 형성된 식각홈 내벽에 접합 보조층(70)을 증착한다. 접합 보조층(70)은 명칭대로 솔더 볼(80)과 금속 와이어(40)간의 접합을 보조하는 층으로서, 습윤성이 우수하고 솔더 성분의 확산을 방지하는 특성을 갖는다.

계속해서, 도 11을 참조로 솔더 볼(80)을 접합 보조층(70)상에 마운트한 후,스크라이브 라인을 따라 웨이퍼(10)를 절단하여 개개의 반도체 칩으로 분리한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 금속 와이어가 상부 절연층으로 지지를 받게 되고, 이러한 금속 와이어 상단에 솔더 볼이 마운트되므로써, 우선 금속 와이어를 지지하는 강도가 강화되고, 또한 솔더 볼에 가해지는 열적 응력이 두꺼운 상부 절연층에서 흡수되므로써 솔더 볼에 크랙이 발생되는 현상이 억제된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (2)

1. 표면에 본드 패드들이 형성된 반도체 칩;

   상기 본드 패드들이 노출되도록, 상기 반도체 칩 표면에 도포된 하부 절연층;

   상기 하부 절연층상에 증착되고, 일단이 상기 각 본드 패드에 연결되고 타단에는 본딩 랜드를 갖는 금속 패턴들;

   하단이 상기 금속 패턴의 본딩 랜드에 본딩된 S자 형태의 금속 와이어;

   상기 금속 와이어의 상단만이 노출되도록, 상기 하부 절연층상에 형성된 저탄성계수를 갖는 상부 절연층; 및

   상기 상부 절연층으로부터 노출된 금속 와이어의 상단에 마운트된 솔더 볼을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 패키지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 와이어의 상단과 솔더 볼 사이에 접합 보조층이 개재된 것을 특징으로 하는 웨이퍼 레벨 패키지.