KR19990026510A - 외장형 히트 싱크를 구비하는 수직실장형 반도체 패키지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수개의 수직실장형 반도체 패키지들이 모듈 기판에 수직으로 실장되고 패키지들의 상부로 히트 싱크가 결합되는 수직실장형 반도체 패키지 모듈에 관한 것이다. 종래의 수직실장형 패키지 모듈은 히트 싱크와 패키지들 간의 부착 공정시 위치 정렬 및 동시 부착의 필요성 때문에 부착 공정이 용이하지 않다. 또한, 패키지들 간의 높이 차이에 의하여 히트 싱크와의 부착력이 저하될 우려가 있으며, 패키지를 교체할 경우 패키지의 분리가 쉽지 않다는 단점이 있다. 본 발명은 이를 해결하기 위하여, 히트 싱크의 하부면에 두 개 이상의 홈이 형성되고 그 홈으로 패키지가 수직으로 삽입되어 결합됨으로써 패키지로부터 히트 싱크로의 열방출이 이루어지도록 하는 모듈을 제공한다. 따라서, 히트 싱크의 부착시 위치 정렬이 용이하고 부착 공정이 간단해지며 패키지의 분리도 가능하다는 장점이 있다.

Description

외장형 히트 싱크를 구비하는 수직실장형 반도체 패키지 모듈

본 발명은 외장형 히트 싱크를 구비하는 수직실장형 반도체 패키지 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 패키지들의 상부에 부착되는 히트 싱크의 하부면에 두 개 이상의 홈을 형성하고 그 홈으로 패키지를 삽입하여 결합함으로써 히트 싱크의 부착시 위치 정렬이 용이하고 부착 공정이 간단해지며 패키지의 분리도 가능한 수직실장형 반도체 패키지 모듈에 관한 것이다.

전자기기에 있어서 데이터의 전송 속도 및 처리 속도의 증가로 인하여 전력 소비가 점점 더 커짐에 따라, 패키지(package)의 열방출량이 증가하여 전자기기의 신뢰성이 저하되거나 수명 시간이 줄어들게 된다. 알려진 바에 의하면, 예를 들어 접합 온도가 10℃ 상승할 경우 소자의 동작 수명 시간은 반으로 줄어든다. 따라서, 고전력 패키지에 있어서의 열방출 문제는 점점 더 중요한 문제가 되고 있다. 특히, 논리 칩(logic chip), 파워 트랜지스터(power transistor) 등의 비메모리 분야 뿐만 아니라, 데이터의 빠른 전송 속도를 필요로 하는 디램(DRAM), 에스램(SRAM) 등의 메모리 분야에서도 열적인 문제가 대두되고 있는 추세이다.

특히, 일반 디램(DRAM)의 경우, 메모리 칩의 정보처리 속도가 중앙처리장치(CPU)의 정보처리 속도를 따라가지 못해 데이터 병목 현상이 발생한다. 중앙처리장치가 연산하는 동안 명령어와 데이터를 일시 저장하는 디램(DRAM)에 있어서, 저장용량 자체는 현재 64M급의 제품이 생산되는 등 엄청나게 커졌지만, 데이터를 주고 받는 속도는 고성능화 추세에 있는 중앙처리장치에 비해 크게 뒤떨어진다.

그런데 최근에 기존 디램(DRAM)의 데이터 병목 현상을 제거하여 데이터 전송 속도의 향상을 꾀한 새로운 메모리 소자인 램버스 디램(Rambus DRAM)이 개발되어 소개되고 있다. 이 소자는 미국의 반도체 회사인 램버스사(Rambus Inc.)가 처음 개발한 소자로서, 초고속 정보처리로 시스템의 고성능화, 고속화를 실현할 수 있으며, 동영상 및 3차원 그래픽 처리가 가능한 차세대 메모리이다.

16M 또는 18M 램버스 디램의 경우, 리드 프레임을 사용하여 표면 수직실장형 패키지(SVP; surface vertical package) 또는 표면 수평실장형 패키지(SHP; surface horizontal package)의 형태로 실장되는 반면에, 64M급 이상의 램버스 디램의 경우, 다층의 회로 배선층을 갖는 인쇄회로기판을 사용하여 모 기판에 수직으로 실장된다.

복잡한 신호 전송망을 병렬로 배치하여 단순화하는 이른바 '버스(bus)' 방식을 채택한 것으로 알려지는 램버스 디램은, 그 특성상 칩의 입/출력 패드(I/O pad)가 한쪽으로 치우쳐 배치됨에 따라 외부와 한쪽 방향으로만 전기적으로 연결되기 때문에, 두 방향 또는 네 방향의 리드(lead)를 갖는 통상적인 패키지에 비하여 열방출 특성이 열악하다. 따라서, 수직실장형 패키지는 8개 내지 32개의 단위로 모듈(module)을 구성하여, 외장형 히트 싱크(heat sink)를 부착하게 된다.

도 1과 도 2에 외장형 히트 싱크(36)를 구비하는 종래의 수직실장형 패키지 모듈(40)을 도시하고 있다. 도 1과 도 2를 참조하면, 각각의 수직실장형 반도체 패키지(10)는 회로 배선(22)이 형성되어 있는 인쇄회로기판(16) 표면에 반도체 칩(12)이 열전도성/전기절연성 접착제(24)로 부착되어 있다. 반도체 칩(12) 상면의 칩 패드(14)는 인쇄회로기판(16)의 기판 패드(18)와 금속 세선(26)으로 연결되며, 기판 패드(18)는 다시 회로 배선(22)을 통하여 접속 패드(20)와 연결되어 있다. 인쇄회로기판(16)의 접속 패드(20)는 모듈 기판(34)에 형성된 소켓(32)에 삽입된다. 따라서 반도체 칩(12)은 칩 패드(14), 금속 세선(26), 기판 패드(18), 회로 배선(22), 접속 패드(20), 소켓(32)을 통하여 모듈 기판(34)과 전기적으로 접속된다. 칩(12)과 금속 세선(26) 등은 에폭시 화합물(epoxy compound)과 같은 봉지수지(28)로 밀봉된다.

이상 설명한 바와 같은 패키지(10)들이 모듈 기판(34)의 소켓(32)에 각각 수직으로 삽입되어 하나의 모듈(40)을 구성하게 된다. 이 때, 열방출을 고려하여 각각의 인쇄회로기판(16)에는 방열판(30)이 부착되며, 방열판(30)들에는 외장형 히트 싱크(36)가 열전도성 접착제(38)에 의하여 부착된다.

이와 같은 종래의 모듈(40)은 히트 싱크(36)를 부착하기 위한 면적을 확보하기 위하여 'ㄱ'자 형태로 구부러진 방열판(30)들을 필요로 한다. 그런데, 히트 싱크(36)를 방열판(30)에 부착할 때, 히트 싱크(36)의 부착 위치를 맞추어야 할 뿐만 아니라, 모든 방열판(30)에 동시에 히트 싱크(36)를 부착해야 하기 때문에, 부착 공정이 용이하지 않다. 더욱이, 패키지(10)들 간의 높이 차이가 존재할 경우, 히트 싱크(36)와 각 방열판(30)과의 부착력이 나빠질 우려가 있으며, 필요에 따라 모듈(40)을 구성하는 패키지(10)를 교체할 경우 히트 싱크(36)와 패키지(10)를 쉽게 분리할 수 없는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 히트 싱크의 부착이 용이할 뿐만 아니라 안정적인 부착이 가능한 수직실장형 반도체 패키지 모듈을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 모듈을 구성하는 개별 패키지의 분리가 용이한 수직실장형 반도체 패키지 모듈을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 열방출 특성과 전기적 특성이 우수한 수직실장형 반도체 패키지 모듈을 제공하는 데 있다.

도 1은 외장형 히트 싱크를 구비하는 종래의 수직실장형 패키지 모듈의 한 예를 나타내는 정면도,

도 2는 도 1의 종단면도로서, 모듈을 구성하는 개별 패키지의 구성요소들을 보여주는 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 외장형 히트 싱크를 구비하는 수직실장형 패키지 모듈의 실시예를 나타내는 정면도,

도 4는 도 3의 종단면도로서, 모듈을 구성하는 개별 패키지의 구성요소들을 보여주는 단면도,

도 5는 도 3에 도시된 히트 싱크와 패키지 간의 부착 관계를 보여주는 상세도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 50 : 수직실장형 반도체 패키지 12, 52 : 반도체 칩

14, 54 : 칩 패드 16, 56 : 인쇄회로기판

18, 58 : 기판 패드 20, 60 : 접속 패드

22, 62 : 회로 배선 24, 64 : 접착층

26, 66 : 금속 세선 28, 68 : 봉지수지

30 : 방열판 32, 72 : 소켓

34, 74 : 모듈 기판 36, 80 : 히트 싱크

38 : 접착제 40, 90 : 모듈

70 : 방열층 76, 78 : 열전도성 매개물

82 : 삽입홈

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 복수개의 수직실장형 반도체 패키지들이 모듈 기판에 수직으로 실장되고 패키지들의 상부로 히트 싱크가 결합된 수직실장형 반도체 패키지 모듈에 있어서, 히트 싱크가 적어도 두 개 이상의 홈을 포함하고, 그 홈으로 패키지가 수직으로 삽입되어 기계적으로 결합됨으로써 패키지로부터 히트 싱크로의 열방출이 이루어질 수 있는 모듈을 제공한다.

각각의 패키지는 복수개의 칩 패드들이 한쪽 가장자리에 형성된 제1면을 포함하는 반도체 칩을 구비한다. 반도체 칩의 제2면은 인쇄회로기판의 제1면에 접착되며, 인쇄회로기판의 제1면에는 복수개의 기판 패드들이 반도체 칩의 외곽에 인접하여 형성되며, 모듈 기판에 접속되기 위한 접속 패드들이 형성된다. 상기 기판 패드들과 접속 패드들은 회로 배선들에 의하여 연결된다. 한편, 인쇄회로기판의 제2면에는 방열층이 형성된다. 칩 패드들과 기판 패드들은 금속 세선에 의하여 전기적으로 연결되며, 반도체 칩과 금속 세선들과 기판 패드들은 봉지수지에 의하여 봉지된다.

본 발명의 수직실장형 반도체 패키지 모듈에 있어서 반도체 칩은 램버스 디램을 포함할 수 있으며, 특히 64M급 이상의 램버스 디램 칩을 적용할 경우에도 우수한 열방출 특성을 나타낼 수 있다. 홈은 히트 싱크의 양쪽 최외곽부에만 형성될 수 있고, 이 때 홈이 형성되지 않은 히트 싱크의 중앙부는 편평한 면으로 형성되며 패키지들과 히트 싱크의 편평한 면 사이에 열전도성의 테이프 또는 필름이 개재된다. 그리고 편평한 면을 가지는 히트 싱크의 중앙부는 홈이 형성된 최외곽부보다 두께가 얇은 것이 바람직하다. 한편, 홈은 모듈을 구성하는 모든 패키지들에 대응하여 히트 싱크에 형성될 수도 있다. 홈에는 열전도성 물질이 충전되어 홈과 패키지 사이의 공간을 메우는 것이 바람직하다.

본 발명의 모듈에 있어서, 모듈 기판은 각각의 패키지가 소켓에 삽입되어 실장되는 복수개의 소켓들을 더 포함할 수 있다. 또한, 인쇄회로기판의 제2면에 형성된 방열판은 구리층인 것이 바람직하며, 인쇄회로기판은 그 내부에 열방출 특성을 향상시키기 위한 적어도 2개 이상의 금속층과 상기 금속층을 연결해 주는 열방출 구멍을 더 포함할 수도 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면 전반을 통틀어 동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 가리킨다.

도 3은 본 발명에 따른 외장형 히트 싱크(80)를 구비하는 수직실장형 패키지 모듈(90)의 실시예를 나타내는 정면도이고, 도 4는 도 3의 종단면도로서, 모듈(90)을 구성하는 개별 패키지(50)의 구성요소들을 보여주는 단면도이다. 도 3과 도 4를 참조하면, 복수개의 수직실장형 반도체 패키지(50)들이 모듈 기판(74)에 수직으로 실장되고, 패키지(50)들의 상부로 히트 싱크(80)가 결합되어 수직실장형 반도체 패키지 모듈(90)을 구성한다.

우선 모듈(90)을 구성하는 각각의 패키지(50)에 대하여 설명하자면, 각각의 패키지(50)는 반도체 칩(52), 예를 들어 램버스 디램, 특히 64M급 이상의 램버스 디램을 포함하며, 칩(52)의 상부면 한쪽 가장자리에는 복수개의 칩 패드들(54)이 형성된다. 칩(52)의 하부면은 얇은 접착층(64)을 통하여 인쇄회로기판(56)과 접착되며, 칩(52)이 접착된 면에 복수개의 기판 패드(58)들이 칩(52)의 외곽에 인접하여 형성된다.

기판 패드(58)는 칩 패드(54)와 금속 세선(66)에 의하여 전기적으로 연결되므로 최대한 칩(52)의 외곽에 근접하게 형성된다. 반면에, 접속 패드(60)는 패키지(50)가 모듈 기판(74)에 수직으로 실장될 때 전기적 접속 단자의 역할을 하기 위한 것이기 때문에, 인쇄회로기판(56)의 한쪽 가장자리에 배열되어 형성된다. 한편, 기판 패드(58)들과 접속 패드(60)들은 회로 배선(62)들에 의하여 연결된다. 도 4에 도시된 금속 세선(66)과 회로 배선(62)은 복잡함을 피하기 위하여 그 일부만 도시되었다.

인쇄회로기판(56)은 BT 수지, FR4, FR5 등의 재질로 이루어지며, 기판 패드(58), 접속 패드(60), 회로 배선(62)은 구리(Cu)와 같이 전기전도성과 열전도성이 우수한 금속으로 형성된다. 특히, 인쇄회로기판(56)의 반대면에 형성되는 방열층(70)은 칩(52)에서 발생되는 열을 방출하는 것이 주 역할이기 때문에, 구리와 같이 열전도성이 우수한 금속을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다. 효율적인 열방출을 위하여 인쇄회로기판(56)의 내부에는 적어도 2개 이상의 금속층(도시되지 않음)과, 금속층들을 서로 연결해 주기 위한 열방출 구멍(도시되지 않음)들이 형성될 수 있다. 한편, 금속 세선(66)은 금(Au) 세선이 주로 사용되며, 금속 세선(66) 및 칩(52), 기판 패드(58), 회로 배선(62)의 일부는 에폭시 화합물(epoxy compound)과 같은 봉지수지(68)에 의하여 봉지된다.

이와 같은 패키지(50)들은 각각의 인쇄회로기판(56)을 통하여 모듈 기판(74)에 수직으로 실장된다. 모듈 기판(74)에 형성되는 복수개의 소켓(72; socket)들이 패키지(50)들과 모듈 기판(74)의 결합을 용이하게 해 줄 수 있다.

한편, 패키지(50)들의 상부로 결합되는 히트 싱크(80)는 적어도 두 개 이상의 홈(도 5의 82)을 포함한다. 도 3, 도 4 및 히트 싱크(80)와 패키지(50) 간의 부착 관계를 상세히 보여주는 도 5를 참조하면, 패키지(50)는 히트 싱크(80)의 홈(82)에 수직으로 삽입되어 기계적으로 결합되며, 칩(52)으로부터 발생되는 열이 인쇄회로기판(56), 특히 방열층(70)을 통하여 히트 싱크(80)로 방출된다.

홈(82)은 적어도 두 개 이상 형성될 수 있다. 즉, 히트 싱크(80)의 양쪽 최외곽부에만 형성될 수도 있고, 모듈(90)을 구성하는 모든 패키지(50)들에 대응하여 형성될 수도 있다. 본 실시예는 전자의 경우로서, 히트 싱크(90)의 양쪽 최외곽부의 하부에 각각 한 개씩의 홈(82)이 형성된다. 어느 경우든 패키지(50)의 위치에 대응하여 홈(82)이 형성되기 때문에 히트 싱크(80)를 부착할 때 위치 정렬이 용이하며, 홈 삽입 결합형이기 때문에 히트 싱크(80)의 부착 뿐만 아니라 분리도 용이하다. 그러므로 홈(82)의 입구는 모따기 가공하여 입구 쪽이 넓도록 형성하는 것이 바람직하다. 한편, 패키지(50)를 히트 싱크(80)의 홈(82)에 삽입하기 전에 열전도성 물질(76)을 홈(82) 내부에 충전하여 홈(82)과 패키지(50) 사이의 빈 공간을 메워 줌으로써 열방출 효과를 더욱 향상시킬 수도 있다.

본 실시예에서 홈(82)이 형성되지 않은 히트 싱크(80)의 중앙부는 편평한 면으로 형성된다. 그리고 패키지(50)들과 히트 싱크(80)의 편평한 면 사이에는 테이프 또는 필름과 같이 유연성을 갖는 열전도성의 물질(78)이 개재된다. 이 열전도성 테이프 또는 필름(78)은 히트 싱크(80)와 패키지(50) 간의 빈틈을 메워 줌으로써 열방출에 도움을 주며, 각 패키지(50)들 간의 높이가 일정하지 않을 경우 그 차이를 보상해 줄 수 있다. 또한 이 매개물(78)이 소정의 접착력을 동시에 가질 경우, 히트 싱크(80)와 각 패키지(50) 간의 부착력에도 도움을 준다. 히트 싱크(80)의 최외곽부에는 홈(82)이 형성되기 때문에 최외곽부의 두께가 홈(82)이 형성되지 않은 중앙부의 두께보다 더 두껍다. 즉, 홈(82) 내부의 바닥면과 히트 싱크(80) 중앙부의 편평한 면이 동일한 높이에 형성됨으로써, 히트 싱크(80)의 하부면이 각 패키지들(50)과 동시에 접촉할 수 있다.

한편 앞서 언급한 바와 같이, 홈은 본 실시예와 달리 패키지들의 개수만큼 히트 싱크에 형성되어 각각의 패키지들이 홈에 삽입되도록 할 수도 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 구조에 따르면, 패키지들의 상부에 부착되는 히트 싱크의 하부면에 두 개 이상의 홈이 형성되고 그 홈으로 패키지가 삽입되어 결합되기 때문에, 히트 싱크의 부착시 위치 정렬이 용이하고, 히트 싱크의 부착 공정이 간단해진다는 이점이 있다. 또한, 모듈로부터 개별 패키지를 분리하고자 할 경우에도 쉽게 분리가 가능하다.

한편, 패키지들 간의 높이가 일정하지 않더라도 패키지들과 히트 싱크의 하부면 사이에 열전도성 물질이 개재되어 그 차이가 보상되기 때문에, 히트 싱크의 부착력이 향상되며 또한 열방출에도 도움을 준다.

Claims (11)

1. 복수개의 수직실장형 반도체 패키지들과;

   상기 패키지들이 수직으로 실장되는 모듈 기판과;

   상기 패키지들의 상부에 결합되는 히트 싱크를 포함하는 수직실장형 반도체 패키지 모듈에 있어서,

   상기 각각의 패키지는, 복수개의 칩 패드들이 한쪽 가장자리에 형성된 제1면을 포함하는 반도체 칩과; 상기 반도체 칩의 제2면이 접착되고, 상기 반도체 칩의 외곽에 인접한 복수개의 기판 패드들과, 상기 기판 패드들에 각각 연결된 회로 배선들과, 상기 회로 배선들에 각각 연결되고 상기 모듈 기판에 접속되기 위한 접속 패드들을 포함하는 제1면, 및 방열층이 형성된 제2면을 포함하는 인쇄회로기판과; 상기 칩 패드들과 상기 기판 패드들을 각각 전기적으로 연결하는 복수개의 금속 세선들; 및 상기 반도체 칩과 상기 금속 세선들과 상기 기판 패드들을 봉지하는 봉지수지를 포함하며,

   상기 히트 싱크는 적어도 두 개 이상의 홈을 포함하고, 상기 패키지들 중에서 적어도 두 개 이상의 패키지가 각각 상기 홈에 수직으로 삽입되어 기계적으로 결합됨으로써, 상기 패키지로부터 상기 히트 싱크로 열 전달이 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직실장형 반도체 패키지 모듈.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 반도체 칩은 램버스 디램인 것을 특징으로 하는 수직실장형 반도체 패키지 모듈.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 램버스 디램은 64M급 이상의 램버스 디램인 것을 특징으로 하는 수직실장형 반도체 패키지 모듈.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 홈은 상기 히트 싱크의 양쪽 최외곽부에 형성되는 것을 특징으로 하는 수직실장형 반도체 패키지 모듈.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 홈이 형성되지 않은 상기 히트 싱크의 중앙부는 편평한 면으로 형성되며, 상기 홈에 삽입되지 않은 패키지들과 상기 히트 싱크의 편평한 면 사이에 열전도성의 테이프 또는 필름이 개재되어 상기 패키지로부터 상기 히트 싱크로 열 전달이 이루어지는 것을 특징으로 하는 수직실장형 반도체 패키지 모듈.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 편평한 면을 가지는 상기 히트 싱크의 중앙부는 상기 홈이 형성된 최외곽부보다 두께가 얇은 것을 특징으로 하는 수직실장형 반도체 패키지 모듈.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 홈은 상기 모듈을 구성하는 모든 상기 패키지들에 대응하여 상기 히트 싱크에 형성되는 것을 특징으로 하는 수직실장형 반도체 패키지 모듈.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 홈에는 열전도성 물질이 충전되어 상기 홈과 상기 패키지 사이의 공간을 메우는 것을 특징으로 하는 수직실장형 반도체 패키지 모듈.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 모듈 기판은 복수개의 소켓들을 더 포함하며, 상기 각각의 패키지가 상기 소켓에 삽입되어 실장되는 것을 특징으로 하는 수직실장형 반도체 패키지 모듈.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 인쇄회로기판의 제2면에 형성된 방열판은 구리층인 것을 특징으로 하는 수직실장형 반도체 패키지 모듈.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 인쇄회로기판은 그 내부에 열방출 특성을 향상시키기 위한 적어도 2개 이상의 금속층과 상기 금속층을 연결해 주는 열방출 구멍을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직실장형 반도체 패키지 모듈.