KR101253514B1 - 열팽창수축률 차이로 인한 기판 휨 문제 해결방법 및 이를 적용한 전자부품 내장형 인쇄회로기판 - Google Patents

열팽창수축률 차이로 인한 기판 휨 문제 해결방법 및 이를 적용한 전자부품 내장형 인쇄회로기판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자부품 내장 인쇄회로기 또는 패키지기 제조방법에 관한 것으로, 기판에 내장되는 전자부품과, 전자부품을 에워싸는 밀봉 절연층 및 동박들 사이의 열팽창계수 차이로 인하여 발생하는 적층기판의 박리 문제 또는 크랙 발생 문제를 해결한 전자부품 내장형 인쇄회로기판 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 캐비티 속에 전자부품을 수납하고 절연층과 동박을 적층해서 성형하기 위해 사용하는 절연층을, 열팽창계수를 최대 20 ppm/℃ 이하를 충족하는 절연층을 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은, CTE ≤ 20 ppm/℃를 충족하기 위하여, 세라믹 필러가 적어도 50% 이상이 되는 에폭시 수지 자재를 사용하는 것을 특징으로 한다.

Description

열팽창수축률 차이로 인한 기판 휨 문제 해결방법 및 이를 적용한 전자부품 내장형 인쇄회로기판{METHOD OF RESOLVING SUBSTRATE WARPAGE PROBLEM DUE TO DIFFERENCES IN THERMAL COEFFICIENTS AND ELECTRONIC COMPONENT EMBEDDED PRINTED CIRCUIT BOARD MANUFACTURED THEREOF}
본 발명은 전자부품 내장형(electronic component-embedded) 인쇄회로기판(printed circuit board; PCB) 또는 패키지기판(package board) 제조기술에 관한 것으로, 특히 기판에 내장되는 전자부품과, 전자부품을 에워싸는 밀봉 절연층 및 동박들 사이의 열팽창계수(coefficient of thermal expansion: CTE) 차이로 인하여 발생하는 적층기판의 박리(delamination) 문제 또는 크랙(crack) 발생 문제를 해결한 전자부품 내장형 인쇄회로기판 제조공법에 관한 것이다.
최근 들어, 웨이퍼 레벨의 칩(chip)을 인쇄회로기판 속에 직접 내장하여 제작하는 내장형 인쇄회로기판(Embedded Printed Circuit Board) 기술에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 칩을 기판 속에 내장하게 되면, 전자부품의 사이즈가 축소되어 전자기기의 소형화 및 경량화에 도움이 되며, 기생성분을 제거할 수 있어서 회로의 동작주파수를 증대시킬 수 있음은 물론, 잡음을 일으키는 외부 전자파의 영향을 차단하는 장점이 있다.
더욱이, 스마트폰 또는 스마트 패드 등과 같은 휴대용 전자기기의 시장이 폭발적으로 커지면서, 경박단소 제품에 대처할 수 있는 칩 내장형 인쇄회로기판 제조가 절실히 요구되고 있다. 인쇄회로기판을 경박단소화하기 위해서 다양한 종류의 전자부품, 예를 들어 반도체 칩과 같은 능동소자뿐 아니라, 저항 및 캐패시터와 같은 수동소자들을 인쇄회로기판에 내장시키고 있다.
이하, 본 발명의 명세서에서는 기판에 내장할 수 있는 반도체 칩, 다이, 모듈, 저항, 캐패시터 등 다양한 전자소자들을 모두 총칭해서 '전자부품(electronic component)'이라 칭하기로 한다.
내층에 캐비티를 가공해서 전자부품을 캐비티 속에 내장하는 기술은, 본원 출원발명의 출원인의 선등록 특허발명, 예를 들어 대한민국 특허공개 제10-2008-79391호, 대한민국 특허공개 제10-2008-79384호, 대한민국 특허공개 제10-2008-79388호에 상세히 설명되어 있다.
전술한 종래기술에 개시된 전자부품 내장 기술은, 내층 절연층에 캐비티를 제작하고, 절연층 하단에 접착 필름을 부착한 후, 전자부품을 캐비티 속으로 밀어넣어 접착 필름 위에 안착시키고, 다시 그 위에 프리프레그(PREPREG)와 같은 반경화상태의 유동성 수지를 적층하고 가열 압착함으로써 전자부품의 상부와 측부와 하부를 절연물질로 에워싸는 구조를 취하고 있다. 그리고 나면, 비아홀을 형성하고 동도금을 실시해서 전자부품의 단자와 외층의 동박을 전기적으로 접속하는 방식을 개시하고 있다.
그런데, 반도체 칩과 같은 전자부품의 열팽창계수는 CTE ≤ 20 ppm/℃의 범위에 있는데 반하여, 내장된 전자부품 주위를 에워싸는 프리프레그 또는 에폭시 수지, 레진 등의 열팽창계수는 CTE ≥ 30 ppm/℃ 이상의 범위에 있다.
그 결과, 전자부품을 내장해서 가열 가압 적층 성형하는 과정 중은 물론 적층 공정을 완료하고 나면, 기판을 구성하는 부품들의 열팽창 및 수축의 정도 차이로 인하여 기판이 휘어서 적층 구조가 박리(delamination) 되는 문제가 발생하고, 심지어는 크랙(crack) 또는 워피지(warpage)가 발생하곤 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 전자부품 내장형 인쇄회로기판을 구성하는 부품들의 열팽창 및 열수축의 차이로 인해 기판이 휘거나 손상되는 문제를 해결한 전자부품 내장형 인쇄회로기판 및 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 캐비티 속에 전자부품을 수납하고 절연층과 동박을 적층해서 성형하기 위해 사용하는 절연층을, CTE가 최대 20 ppm/℃ 이하를 충족하는 절연층을 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은, CTE ≤ 20 ppm/℃를 충족하기 위하여, 세라믹 필러(ceramic filler)가 적어도 50% 이상이 되는 에폭시 수지 자재를 사용하는 것을 특징으로 한다.
에폭시 수지 내에 분산처리된 실리카(SiO2) 성분의 알갱이, 즉 세라믹 필러의 함량을 50 % 이상으로 유지한 적층성형 자재를 사용함으로써, 캐비티 속에 내장한 전자부품과 좌우상하를 둘러싼 절연성 수지 사이의 열팽창계수 차이가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 적층 성형 과정에서 기판에 크랙이 생기거나 또는 박리(delamination), 워피지(warpage)가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도1a 내지 도1l은 본 발명에 따라 전자부품 내장형 인쇄회로기판을 제작하는 과정을 나타낸 도면.
도2는 본 발명에 따른 제작된 전자부품 내장 인쇄회로기판을 개략적으로 나타낸 도면.
본 발명은, 경화상태의 내층 절연층에 캐비티를 제작하고, 캐비티 속에 전자부품을 내장하고, 캐비티 속에 수납한 전자부품 위에 반경화상태의 제1 절연층과 동박을 적층하고, 가열 가압하여 라미네이트 하여 상기 전자부품을 에워싸도록 하여 상기 제1 절연층을 경화시킨 후, 기판 외층 표면의 동박과 전자부품의 입출력단자 범프를 전기접속하는 비아홀을 형성하는 전자부품 내장형 인쇄회로기판 제조방법에 있어서, 상기 제1 절연층의 열팽창계수는 CTE ≤ 20 ppm/℃ 범위에 있는 것을 특징으로 하는 부품내장형 인쇄회로기판 제조방법을 제공한다.
본 발명은 전자부품을 수납하는 캐비티를 구비한 내층 절연층; 전자부품이 수납된 캐비티 공간으로 흘러들어 상기 전자부품을 상하좌우로 에워싸고 내층 절연층 위에 적층 성형되는 제1 절연층; 캐비티 내부에 수납된 전자부품; 및 제1 절연층 상부에 형성된 동박 회로와 전자부품의 입출력단자 범프를 전기접속하도록 제1 절연층을 관통하여 형성된 비아홀로 구성되고, 상기 제1 절연층의 열팽창계수는 CTE ≤ 20 ppm/℃ 범위에 있는 것을 특징으로 하는 전자부품내장형 인쇄회로기판을 제공한다.
이하에서는 첨부도면 도1 및 도2를 참조해서 본 발명의 양호한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예로서, 동박적층판(CCL; copper cladded laminate)과 같은 원자재에서 시작할 수 있으나, 반드시 이에 국한할 필요는 없다. 도1a는 본 발명의 양호한 실시예로서, 경화상태(C 스테이지)의 절연층(100) 양면에 동박(110a, 110b)이 덮여 있는 자재를 나타내고 있다.
도1b를 참조하면, 기판에 드릴 공정을 수행해서 향후 후속 공정에서 정렬을 위해 사용할 가이드 홀(guide hole; 120)을 가공하는 과정을 볼 수 있다. 이어서, 도1c를 참조하면, 기판의 양면 동박(100a, 100b)을 선택적으로 식각함으로써 향후 후속 공정에서 사용할 정렬마크(fiducial mark; 130)를 형성한다. 본 발명의 양호한 실시예로서, 도1c에 나타낸 정렬마크(130)는, 향후 전자부품을 제 위치에 정확히 안착하는 단계, 비아홀을 형성하는 단계 등과 같이 정렬이 필요한 단계에 정렬을 위한 레퍼런스(reference)로 사용하게 된다. 절연층(100)은 C 스테이지로 경화된 에폭시 수지가 사용될 수 있으며, 섬유질이 보강된 수지층이 사용될 수 있다.
도1d를 참조하면, 전자부품(칩)을 안착해서 내장하고자 하는 부위를 식각 제거함으로써 캐비티(150)를 형성한다. 캐비티 가공은 기계적 드릴, 레이저 드릴 또는 기타 화학적 식각 방식으로 가공할 수 있다.
이어서, 도1e를 참조하면, 기판의 하부에 접착층(160)을 형성한다. 본 발명에 따른 접착층(160)의 양호한 실시예로서, 접착제, 접착 필름, 또는 접착 테이프 등이 사용될 수 있으며, 기계적 강도를 제공하기 위해서 지지층 위에 접착층이 도포된 구조물을 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 접착층(160)의 양호한 실시예로서, 폴리이미드(polyimide) 계열의 접착 재료가 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 접착층(160)의 또 다른 양호한 실시예로서, 접착필름, 페이스트 타입의 잉크, 또는 필러블 잉크(peelable ink) 등이 사용될 수 있으며, 기계적 강도를 제공하기 위해서 지지층 위에 접착층이 도포된 구조물을 사용할 수 있다. 여기서, 본 발명에 사용되는 접착층(160)은 화학용액에 의해 용해될 수 있는 것을 특징으로 하며, 후속 공정에서 물리적으로 벗겨내는 대신에 화학적으로 제거하는 과정을 겪게 된다.
본 발명의 양호한 실시예로서, 드라이필름과 같은 접착필름을 사용하는 경우 수산화나트륨 또는 탄산나트륨과 같은 용액을 사용해서 필름을 화학적으로 용해시켜 기판으로부터 분리 제거할 수 있다. 본 발명의 양호한 실시예로서, 반경화상태의 페이스트 잉크 또는 필러블 잉크를 코팅하고 양생해서 필름을 형성하면, 필름의 표면은 끈적끈적한 접착력이 발생하게 되며, 전자부품을 실장한 후 아민(amine) 계열의 약품을 이용해서 페이스트 잉크를 화학적으로 제거할 수 있다.
도1f를 참조하면, 전자부품(170)을 캐비티(150) 속에 밀어넣어, 전자부품(170)이 접착층(160) 위에 안착하도록 한다. 이때에, 전자부품의 정밀한 안착 위치 조정을 위해 정렬마크(130)가 사용될 수 있다. 다시 도1f를 참조하면, 안착한 전자부품(170)은 입출력 단자(I/O Terminal)로서 범프(bump; 171)를 구비하고 있으며, 전자부품(170)의 높이가 캐비티(150)의 깊이와 거의 동일하거나 상대적으로 높은 것을 특징으로 하고 있다.
만일 캐비티(150) 속에 수납할 전자부품(170)의 두께가 캐비티(150)의 깊이보다 작다면, 접착층(160) 위에 높이조절용 자재를 적층한 후 접착제를 이용해서 높이 조절용 자재 위에 전자부품(170)을 실장함으로써, 최종적으로 전자부품(170)의 입출력단자 범프(171)가 캐비티 레벨보다 위로 돌출되도록 할 수 있다.
그리고 나면, 절연층(180)과 동박(190)을 적층하고 가열 가압 라미네이트 한다. 도1g는 본 발명에 따라, 절연층(180)과 동박(190)을 적층한 모습을 나타낸 도면이다. 도1g를 참조하면, 가열가압 라미네이트 과정에서 절연층은 캐비티(150) 속의 빈 공간으로 흘러들어가서 전자부품(170)을 상하좌우 에워싸게 된다.
여기서, 본 발명은 절연층(180)의 열팽창계수 CTE를 최대 20 ppm/℃ 이하를 충족하는 절연층을 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은, CTE ≤ 20 ppm/℃를 충족하기 위하여, 세라믹 필러(ceramic filler)의 함량을 적어도 50% 이상이 되는 에폭시 수지 자재를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 양호한 실시예로서, 일본 아지노모토 사의 ABF 필름, 히타치 케미컬사의 제품, 또는 스미또모 메이크 라이트사의 제품을 사용할 수 있다.
이어서, 도1h를 참조하면, 기판 하부의 접착층(160)을 제거한다. 기판 하부의 접착층(160)은 폴리이미드 계열의 접착성 테이프 또는 필름 형태를 사용하므로, 쉽게 벗겨 낼 수 있다. 이때에, 접착층 하단에 지지층이 있는 경우에는, 접착층과 지지층을 함께 벗겨낸다.
이어서, 도1i를 참조하면, 기판 하부에 또다시 절연층(200)과 동박(210)을 적층하고 가열 가압 라미네이트 한다. 이어서, 도1j를 참조하면, 정렬마크(130) 상부에 위치한 동박(190)을 국부적으로 제거함으로써, 정렬마크(130)를 노출시켜 후속공정에서 정렬마크로 계속하여 사용할 수 있도록 한다.
도1k를 참조하면, 외층의 동박(190, 210)과 내장된 전자부품(170) 사이의 전기접속, 외층 동박(190, 210) 사이의 전기적 접속을 위해 비아홀(220, 230)을 가공한다. 비아홀 가공이 완료되면, 도1l에 도시된 대로, 비아홀 도금을 실시하여 전기 접속을 시도한다.
도2는 본 발명에 따른 전자부품 내장기판을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도2를 참조하면, 내층의 절연층에 제작된 캐비티 속에 전자부품(170)이 내장되어 있으며, 전자부품(170)의 상하좌우 주위에는 절연층(180)으로 밀봉 적층 성형되어 있다.
본 발명은, 절연층(180)의 열팽창계수 CTE를 최대 20 ppm/℃ 이하를 충족하는 절연층을 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은, CTE ≤ 20 ppm/℃를 충족하기 위하여, 세라믹 필러(ceramic filler)의 함량을 적어도 50% 이상이 되는 에폭시 수지 자재를 사용하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 양호한 실시예로서, 일본 아지노모토 사의 ABF 필름, 히타치 케미컬사의 제품, 또는 스미또모 메이크 라이트사의 제품을 사용할 수 있다.
전술한 내용은 후술할 발명의 특허 청구 범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 개선하였다. 본 발명의 특허 청구 범위를 구성하는 부가적인 특징과 장점들이 이하에서 상술 될 것이다. 개시된 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.
또한, 본 발명에서 개시된 발명 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사용될 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술 분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허 청구 범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 진화, 치환 및 변경이 가능하다.
이상과 같이, 본 발명은 에폭시 수지 내에 분산처리된 실리카(SiO2) 성분의 알갱이, 즉 세라믹 필러의 함량을 50 % 이상으로 유지한 적층성형 자재를 사용함으로써, 캐비티 속에 내장한 전자부품과 좌우상하를 둘러싼 절연성 수지 사이의 열팽창계수 차이가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
그 결과, 적층 성형 과정에서 기판에 크랙이 생기거나 또는 박리 (delamination), 워피지(warpage)가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 본 발명은 인쇄회로기판 제작, 특히 반도체 칩 내장형 인쇄회로기판 또는 패키지기판 제조 시에 응용할 수 있어 제품의 수율을 증가시키고 신뢰성을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
100, 180, 200 : 절연층
110a, 110b, 190, 210 : 동박
120 : 가이드 홀
130 : 정렬마크
150 : 캐비티
160 : 접착층
170 : 전자부품
171 : 범프
220, 230 : 비아홀

Claims (4)

  1. 경화상태의 내층 절연층에 캐비티를 제작하고, 캐비티 속에 전자부품을 내장하고, 캐비티 속에 수납한 전자부품 위에 반경화상태의 제1 절연층과 동박을 적층하고, 가열 가압하여 라미네이트 하여 상기 전자부품을 에워싸도록 하여 상기 제1 절연층을 경화시킨 후, 기판 외층 표면의 동박과 전자부품의 입출력단자 범프를 전기접속하는 비아홀을 형성하는 전자부품 내장형 인쇄회로기판 제조방법에 있어서, 상기 제1 절연층은 세라믹 필러 함량이 적어도 50% 이상인 에폭시 수지로서 열팽창계수가 CTE ≤ 20 ppm/℃ 범위에 있는 것을 특징으로 하는 전자부품내장형 인쇄회로기판 제조방법.
  2. 삭제
  3. 전자부품을 수납하는 캐비티를 구비한 내층 절연층;
    전자부품이 수납된 캐비티 공간으로 흘러들어 상기 전자부품을 상하좌우로 에워싸고 내층 절연층 위에 적층 성형되는 제1 절연층;
    캐비티 내부에 수납된 전자부품; 및
    제1 절연층 상부에 형성된 동박 회로와 전자부품의 입출력단자 범프를 전기접속하도록 제1 절연층을 관통하여 형성된 비아홀
    로 구성되고, 상기 제1 절연층은 세라믹 필러 함량이 적어도 50% 이상인 에폭시 수지로서 열팽창계수는 CTE ≤ 20 ppm/℃ 범위에 있는 것을 특징으로 하는 전자부품내장형 인쇄회로기판.
  4. 삭제
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