KR20190124892A - 팬-아웃 반도체 패키지 - Google Patents

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KR20190124892A
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heat dissipation
fan
semiconductor package
layer
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KR1020180048919A
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강승온
박성찬
김철규
엄기주
김명훈
김한
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    • H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
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    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
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    • H01L2224/732—Location after the connecting process
    • H01L2224/73251—Location after the connecting process on different surfaces
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    • H01L2224/831—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector the layer connector being supplied to the parts to be connected in the bonding apparatus
    • H01L2224/83101—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector the layer connector being supplied to the parts to be connected in the bonding apparatus as prepeg comprising a layer connector, e.g. provided in an insulating plate member
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    • H01L2225/1017—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00 the containers being in a stacked arrangement the lowermost container comprising a device support
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    • H01L2225/1011—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00 the containers being in a stacked arrangement
    • H01L2225/1041—Special adaptations for top connections of the lowermost container, e.g. redistribution layer, integral interposer
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    • H01L2225/1011—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00 the containers being in a stacked arrangement
    • H01L2225/1047—Details of electrical connections between containers
    • H01L2225/1058—Bump or bump-like electrical connections, e.g. balls, pillars, posts
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    • H01L2225/00—Details relating to assemblies covered by the group H01L25/00 but not provided for in its subgroups
    • H01L2225/03—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00
    • H01L2225/10—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers
    • H01L2225/1005—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00
    • H01L2225/1011—All the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/648 and H10K99/00 the devices having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L27/00 the containers being in a stacked arrangement
    • H01L2225/1094—Thermal management, e.g. cooling
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    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/02—Bonding areas ; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/04—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process
    • H01L24/05—Structure, shape, material or disposition of the bonding areas prior to the connecting process of an individual bonding area
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    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L24/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
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    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
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    • H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L24/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L24/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
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    • H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected
    • H01L24/83—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected using a layer connector
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    • H01L2924/10251—Elemental semiconductors, i.e. Group IV
    • H01L2924/10253—Silicon [Si]
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    • H01L2924/102—Material of the semiconductor or solid state bodies
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Abstract

본 개시는 관통홀을 갖는 코어부재, 코어부재의 관통홀에 배치되며, 접속패드가 배치된 활성면 및 활성면의 반대측에 배치된 비활성면을 갖는 반도체 칩, 반도체 칩의 비활성면에 직접 접합된 방열부재, 반도체 칩의 적어도 일부를 봉합하는 봉합재, 및 반도체 칩의 활성면 상에 배치되며, 반도체 칩의 접속패드와 전기적으로 연결된 재배선층을 포함하는 연결부재를 포함하는 팬-아웃 반도체 패키지에 관한 것이다.

Description

팬-아웃 반도체 패키지{FAN-OUT SEMICONDUCTOR PACKAGE}
본 개시는 팬-아웃 반도체 패키지에 관한 것이다.
반도체 패키지는 형상적인 측면에서 경박단소를 지속적으로 추구하고 있으며, 기능적인 측면에서는 복합화 및 다기능화를 요구하는 SiP(System in Package) 패키지를 추구하고 있다. 이에 부합하기 위하여 제안된 패키지 기술 중의 하나가 팬-아웃 반도체 패키지이다. 팬-아웃 반도체 패키지는 접속단자를 반도체 칩이 배치된 영역 외측으로 재배선하여, 소형의 크기를 가지면서도 다수의 핀을 구현할 수 있게 한다.
특히, 최근 개발되는 POP(package on package) 구조의 반도체 패키지에서는, 패키지의 두께를 최소화하면서도, 방열 특성을 향상시킬 수 있는 구조가 요구된다.
본 개시의 여러 목적 중 하나는 방열 특성이 향상된 팬-아웃 반도체 패키지를 제공하는 것이다.
본 개시를 통하여 제안하는 여러 해결 수단 중 하나는 팬-아웃 패키지에 있어서, 반도체 칩의 비활성면에 탄소를 함유한 방열부재를 직접 접합하는 것이다.
예를 들면, 본 개시에서 제안하는 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지는 관통홀을 갖는 코어부재, 상기 코어부재의 관통홀에 배치되며, 접속패드가 배치된 활성면 및 상기 활성면의 반대측에 배치된 비활성면을 갖는 반도체 칩, 상기 반도체 칩의 비활성면에 직접 접합된 방열부재, 상기 반도체 칩의 적어도 일부를 봉합하는 봉합재, 및 상기 반도체 칩의 활성면 상에 배치되며, 상기 반도체 칩의 접속패드와 전기적으로 연결된 재배선층을 포함하는 연결부재를 포함한다.
본 개시의 여러 효과 중 일 효과로서 방열 특성이 향상된 팬-아웃 반도체 패키지를 제공할 수 있다.
도 1은 전자기기 시스템의 예를 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 전자기기의 일례를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 팬-인 반도체 패키지의 패키징 전후를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 팬-인 반도체 패키지의 패키징 과정을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 팬-인 반도체 패키지가 인터포저 기판 상에 실장되어 최종적으로 전자기기의 메인보드에 실장된 경우를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 6은 팬-인 반도체 패키지가 인터포저 기판 내에 내장되어 최종적으로 전자기기의 메인보드에 실장된 경우를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 7은 팬-아웃 반도체 패키지의 개략적인 모습을 나타낸 단면도이다.
도 8은 팬-아웃 반도체 패키지가 전자기기의 메인보드에 실장된 경우를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 9는 팬-아웃 반도체 패키지의 일례를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 10a 내지 도 10c는 제1 반도체 칩과 방열부재를 접합하는 공정의 일례를 개략적으로 도시하는 도면들이다.
도 11은 팬-아웃 반도체 패키지의 다른 일례를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 12는 팬-아웃 반도체 패키지의 다른 일례를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 13은 팬-아웃 반도체 패키지의 다른 일례를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 14는 팬-아웃 반도체 패키지의 다른 일례를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 15a 내지 도 15c는 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지의 방열 효과를 개략적으로 나타내는 그래프들이다.
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 사시도이다.
도면을 참조하면, 반도체 패키지는 상술한 바와 같은 다양한 전자기기에 다양한 용도로써 적용된다. 예를 들면, 스마트 폰(1100)의 바디(1101) 내부에는 마더보드(1110)가 수용되어 있으며, 마더보드(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 반도체 칩은 수많은 미세 전기 회로가 집적되어 있으나 그 자체로는 반도체 완성품으로서의 역할을 할 수 없으며, 외부의 물리적 또는 화학적 충격에 의해 손상될 가능성이 존재한다. 그래서 반도체 칩 자체를 그대로 사용하지 않고 반도체 칩을 패키징하여 패키지 상태로 전자기기 등에 사용하고 있다.
반도체 패키징이 필요한 이유는, 전기적인 연결이라는 관점에서 볼 때, 반도체 칩과 전자기기의 메인보드의 회로 폭에 차이가 있기 때문이다. 구체적으로, 반도체 칩의 경우, 접속패드의 크기와 접속패드간의 간격이 매우 미세한 반면 전자기기에 사용되는 메인보드의 경우, 부품 실장 패드의 크기 및 부품 실장 패드의 간격이 반도체 칩의 스케일보다 훨씬 크다. 따라서, 반도체 칩을 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 단면도이다.
도 4는 팬-인 반도체 패키지의 패키징 과정을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도면을 참조하면, 반도체 칩(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 반도체 칩(2220) 상에 반도체 칩(2220)의 사이즈에 맞춰 연결부재(2240)를 형성한다. 연결부재(2240)는 반도체 칩(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, 반도체 칩(2220), 연결부재(2240), 패시베이션층(2250), 및 언더범프금속층(2260)을 포함하는 팬-인 반도체 패키지(2200)가 제조된다.
이와 같이, 팬-인 반도체 패키지는 반도체 칩의 접속패드, 예컨대 I/O(Input / Output) 단자를 모두 소자 안쪽에 배치시킨 패키지 형태이며, 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 반도체 칩 안쪽에 배치해야 하는바 공간적인 제약이 많다. 따라서, 이러한 구조는 많은 수의 I/O 단자를 갖는 반도체 칩이나 크기가 작은 반도체 칩에 적용하는데 어려운 점이 있다. 또한, 이러한 취약점으로 인하여 전자기기의 메인보드에 팬-인 반도체 패키지가 직접 실장 되어 사용될 수 없다. 반도체 칩의 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 단면도이다.
도 6은 팬-인 반도체 패키지가 인터포저 기판 내에 내장되어 최종적으로 전자기기의 메인보드에 실장된 경우를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도면을 참조하면, 팬-인 반도체 패키지(2200)는 반도체 칩(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 반도체 칩(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 개략적인 모습을 나타낸 단면도이다.
도면을 참조하면, 팬-아웃 반도체 패키지(2100)는, 예를 들면, 반도체 칩(2120)의 외측이 봉합재(2130)로 보호되며, 반도체 칩(2120)의 접속패드(2122)가 연결부재(2140)에 의하여 반도체 칩(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. 반도체 칩(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 반도체 칩 상에 형성된 연결부재를 통하여 반도체 칩의 바깥쪽에 까지 I/O 단자를 재배선하여 배치시킨 형태이다. 상술한 바와 같이, 팬-인 반도체 패키지는 반도체 칩의 I/O 단자를 모두 반도체 칩 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 반도체 칩 상에 형성된 연결부재를 통하여 반도체 칩의 바깥쪽에 까지 I/O 단자를 재배선하여 배치시킨 형태인바 반도체 칩의 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 단면도이다.
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 반도체 칩(2120) 상에 반도체 칩(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 반도체 칩을 전자기기의 메인보드 등에 실장하기 위하여, 그리고 외부의 충격으로부터 반도체 칩을 보호하기 위한 패키지 기술을 의미하는 것으로, 이와는 스케일, 용도 등이 상이하며, 팬-인 반도체 패키지가 내장되는 인터포저 기판 등의 인쇄회로기판(PCB)과는 다른 개념이다.
도 9는 팬-아웃 반도체 패키지의 일례를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도면을 참조하면, 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(10A)는 수직하게 적층된 제1 반도체 패키지(100) 및 제2 반도체 패키지(200)를 포함하는 POP 구조로서, 제1 반도체 패키지(100) 상에 제2 반도체 패키지(200)가 적층된다. 제1 반도체 패키지(100)는, 관통홀(110H)을 갖는 코어부재(110), 코어부재(110)의 관통홀(110H)에 배치되며 접속패드(122)가 배치된 활성면 및 활성면의 반대측에 배치된 비활성면을 갖는 제1 반도체 칩(120), 제1 반도체 칩(120)의 상기 비활성면 상에 직접 접합되고 탄소를 함유하는 방열부재(170), 코어부재(110) 및 제1 반도체 칩(120)의 적어도 일부를 봉합하는 제1 봉합재(130), 코어부재(110) 및 제1 반도체 칩(120)의 활성면 상에 배치된 연결부재(140), 제1 봉합재(130) 상에 배치되는 배면 배선구조물(190), 연결부재(140) 상에 배치된 패시베이션층(150), 패시베이션층(150)의 개구부 상에 배치된 언더범프금속층(160), 패시베이션층(150) 상에 배치되며 언더범프금속층(160)과 연결된 전기연결구조체(165), 및 패시베이션층(150) 상에 배치되는 수동부품(180)을 포함한다. 제2 반도체 패키지(200)는 배선기판(210), 배선기판(210) 상에 배치되는 복수의 제2 반도체 칩(220), 제2 반도체 칩(220)을 봉합하는 제2 봉합재(230), 및 배선기판(210) 하부의 상부 접속단자(265)를 포함한다.
한편, POP 구조의 경우 상하로 반도체 칩이 적층됨에 따라 발열이 심화되어, 반도체 칩의 성능이 저하되는 문제가 있다. 특히, AP와 같은 시스템온칩(Systerm on Chip, SoC)의 경우, 반도체 칩 내부의 연산을 수행하는 위치에서 국부적으로 열이 발생하게 되므로, 이와 같은 발열 위치에 가깝게 방열부재가 배치되는 것이 방열에 효과적일 수 있다. 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(10A)의 경우 팬-아웃 반도체 패키지인 제1 반도체 패키지(100)를 도입하여 AP 칩과 같은 주요 반도체 칩(120)을 실장하고 상부에 메모리 칩과 같은 반도체 칩(220)을 실장하면서도, 제1 반도체 칩(120) 상에 방열부재(170)를 배치함으로써 방열 특성을 확보할 수 있다.
방열부재(170)는 방열 효과가 우수한 탄소계 물질로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 카바이드(SiC), 그라파이트(graphite), 그래핀(graphene), 탄소 나노 튜브(carbon nano tube, CNT), 및 금속-그라파이트 복합재료 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그래핀은 그라파이트의 한 층인 이차원의 탄소 육각망 시트를 의미한다. 방열부재(170)는 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)가 약 2.7 ppm/K인 실리콘(Si)과 열팽창계수의 차이가 10 ppm/K를 넘지 않는 물질로 구성될 수 있다. 구체적으로, 방열부재(170)는 2 ppm/K 내지 10 ppm/K의 범위의 열팽창계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)를 갖는 물질로 구성될 수 있으며, 특히, 3 ppm/K 내지 9 ppm/K의 범위의 열팽창계수를 갖는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 카바이드(SiC)는 결정 구조에 무관하게 약 3 ppm/K 내지 6 ppm/K의 범위의 열팽창계수를 가지며, 그라파이트는 약 1 ppm/K 내지 8 ppm/K의 범위의 열팽창계수를 갖고, 구리-그라파이트(Cu-Gr) 복합재료는 약 4 ppm/K 내지 9 ppm/K의 범위의 열팽창계수를 갖는다.
방열부재(170)는 이와 같이 주로 실리콘으로 이루어진 제1 반도체 칩(120)과의 열팽창계수 차이를 최소화함으로써, 휨(warpage)의 발생을 방지할 수 있는 물질로 구성되면서도, 열전도도가 실리콘의 약 150 W/mK보다 높은 물질로 구성될 수 있다. 특히, 방열부재(170)는 250 W/mK 내지 500 W/mK의 범위의 열전도도를 갖는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 카바이드(SiC)는 결정 구조에 따라 단결정의 경우 약 350 W/mK 내지 500 W/mK의 범위의 열전도도를 가지며, 다결정의 경우 그보다 낮은 약 2500 W/mK 내지 300 W/mK의 범위의 열전도도를 갖고, 그라파이트는 방향에 따라 다르지만 수평 방향에서 약 500 W/mK 이상의 열전도도를 갖고, 구리-그라파이트(Cu-Gr) 복합재료는 약 300 W/mK 내지 400 W/mK의 범위의 열전도도를 갖는다.
이하, 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(10A)에 포함되는 각각의 구성에 대하여 보다 자세히 설명한다.
코어부재(110)는 구체적인 재료에 따라 제1 반도체 패키지(100)의 강성을 보다 개선시킬 수 있으며, 제1 봉합재(130)의 두께 균일성 확보 등의 역할을 수행할 수 있다. 또한, 코어부재(110)에 의하여 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(10A)가 POP의 일부로 사용될 수 있다. 코어부재(110)는 관통홀(110H)을 가진다. 관통홀(110H) 내에는 제1 반도체 칩(120)이 코어부재(110)와 소정거리 이격 되도록 배치된다. 제1 반도체 칩(120)의 측면 주위는 코어부재(110)에 의하여 둘러싸일 수 있다. 다만, 이는 일례에 불과하며 다른 형태로 다양하게 변형될 수 있으며, 그 형태에 따라서 다른 기능을 수행할 수 있음은 물론이다. 필요에 따라서는 코어부재(110)를 생략할 수 있으나, 코어부재(110)를 가지는 경우가 본 개시에서 의도하는 보드레벨 신뢰성 확보에 보다 유리할 수 있다.
코어부재(110)는 코어 절연층(111), 코어 절연층(111)의 양면에 배치되는 배선층(112), 및 코어 절연층(111)을 관통하여 상하의 배선층(112)을 연결하는 코어 비아(113)를 포함한다. 따라서, 코어 절연층(111)의 양면에 배치되는 배선층(112)은 코어 비아(113)를 통하여 전기적으로 연결된다.
코어 절연층(111)의 재료로는 절연물질이 사용될 수 있는데, 이때 절연물질로는 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지, 폴리이미드와 같은 열가소성 수지, 또는 이들 수지가 무기필러 및/또는 유리섬유(Glass Fiber, Glass Cloth, Glass Fabric) 등의 심재에 함침된 절연물질, 예를 들면, 프리프레그(prepreg), ABF(Ajinomoto Build-up Film), FR-4, BT(Bismaleimide Triazine) 등이 사용될 수 있다. 이러한 코어부재(110)는 지지부재로 역할할 수 있다.
배선층(112)은 제1 반도체 칩(120)의 접속패드(122)를 재배선하는 역할을 수행할 수 있다. 배선층(112)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. 배선층(112)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.
코어 비아(113)는 서로 다른 층에 형성된 배선층(112)을 전기적으로 연결시키며, 그 결과 코어부재(110) 내에 전기적 경로를 형성시킨다. 코어 비아(113) 역시 형성물질로는 도전성 물질을 사용할 수 있다. 코어 비아(113)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.
제1 반도체 칩(120)은 소자 수백 내지 수백만 개 이상이 하나의 칩 안에 집적화된 집적회로(Intergrated Circuit: IC)일 수 있다. 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 및 플래시 메모리) 등의 메모리 칩일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이들이 서로 조합되어 배치될 수도 있음은 물론이다.
제1 반도체 칩(120)은 접속패드(122)가 배치된 면이 활성면이 되고, 반대측 면이 비활성면이 된다. 제1 반도체 칩(120)은 액티브 웨이퍼를 기반으로 형성될 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 제1 반도체 칩(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)의 하면은 제1 봉합재(130)의 하면과 단차를 가질 수 있으며, 제1 봉합재(130)가 접속패드(122)의 하면으로 블리딩 되는 것을 어느 정도 방지할 수 있다. 기타 필요한 위치에 절연막(미도시) 등이 더 배치될 수도 있다.
방열부재(170)는 제1 반도체 칩(120)과 직접 접합(direct bonding)되며, 이에 의해 생략된 접착층의 두께만큼 방열부재(170)를 상향할 수 있다. 상기 직접 접합에 대해서는 하기에 도 10a 내지 도 10c를 참조하여 더욱 상세히 설명한다. 이에 따라, 방열부재(170)는 제1 반도체 칩(120)의 비활성면 전체와 직접 접촉되며, 제1 반도체 칩(120)과 함께 관통홀(110H) 내에 배치된다. 방열부재(170)는 평면 상에서 제1 반도체 칩(120)과 동일한 크기를 가질 수 있다. 방열부재(170)는 제1 반도체 칩(120)의 제1 두께(T1)와 동일하거나 작은 제2 두께(T2)를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 두께(T1, T2)는 제1 반도체 칩(120)과 방열부재(170)의 전체 두께(T3)의 각각 절반씩일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
제1 봉합재(130)는 코어부재(110), 제1 반도체 칩(120) 등을 보호할 수 있다. 봉합형태는 특별히 제한되지 않으며, 제1 반도체 칩(120)의 적어도 일부를 감싸는 형태이면 무방하다. 예를 들면, 제1 봉합재(130)는 코어부재(110) 및 제1 반도체 칩(120)의 비활성면의 적어도 일부를 덮을 수 있으며, 관통홀(110H)의 벽면 및 제1 반도체 칩(120)의 측면 사이의 공간의 적어도 일부를 채울 수 있다. 한편, 제1 봉합재(130)가 관통홀(110H)을 채움으로써, 구체적인 물질에 따라 제1 반도체 칩(120)을 고정하기 위한 접착제 역할을 수행함과 동시에 버클링을 감소시킬 수 있다. 제1 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 Imageable Dielectric: PID) 수지를 사용할 수도 있다.
연결부재(140)는 반도체 칩(120)의 접속패드(122)를 재배선할 수 있다. 연결부재(140)를 통하여 다양한 기능을 가지는 수십 수백의 제1 반도체 칩(120)의 접속패드(122)가 재배선 될 수 있으며, 전기연결구조체(165)를 통하여 그 기능에 맞춰 외부에 물리적 및/또는 전기적으로 연결될 수 있다. 연결부재(140)는 코어부재(110) 및 제1 반도체 칩(120)의 활성면 상에 배치된 제1 절연층(141a), 제1 절연층(141a) 상에 배치된 제1 재배선층(142a), 제1 재배선층(142a) 및 반도체 칩(120)의 접속패드(122)를 연결하는 제1 비아(143a), 제1 절연층(141a) 상에 배치된 제2 절연층(141b), 제2 절연층(141b) 상에 배치된 제2 재배선층(142b), 제2 절연층(141b)을 관통하며 제1 및 제2 재배선층(142a, 142b, 142c)을 연결하는 제2 비아(143b), 제2 절연층(141b) 상에 배치된 제3 절연층(141c), 제3 절연층(141c) 상에 배치된 제3 재배선층(142c), 제3 절연층(141c)을 관통하며 제2 및 제3 재배선층(142b, 142c)을 연결하는 제3 비아(143c)를 포함한다. 제1 내지 제3 재배선층(142a, 142b, 142c)은 제1 반도체 칩(120)의 접속패드(122)와 전기적으로 연결된다.
절연층(141a, 141b, 141c)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, 141c)은 각각 감광성 절연층일 수 있다. 절연층(141a, 141b, 141c)이 감광성의 성질을 가지는 경우, 절연층(141a, 141b, 141c)을 보다 얇게 형성할 수 있으며, 보다 용이하게 비아(143a, 143b, 143c)의 파인 피치를 달성할 수 있다. 절연층(141a, 141b, 141c)은 각각 절연수지 및 무기필러를 포함하는 감광성 절연층일 수 있다. 절연층(141a, 141b, 141c)이 다층인 경우, 이들의 물질은 서로 동일할 수 있고, 필요에 따라서는 서로 상이할 수도 있다. 절연층(141a, 141b, 141c)이 다층인 경우, 이들은 공정에 따라 일체화 되어 이들 자체로는 경계가 불분명할 수도 있다. 도면에 도시한바 보다 더 많은 수의 절연층이 형성될 수 있음은 물론이다.
재배선층(142a, 142b, 142c)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. 예를 들어, 재배선층(142a, 142b, 142c)을 이루는 시드 금속층(145a) 및 도금 금속층(145b)은 구리(Cu) 또는 이의 합금으로 이루어지고, 접합 금속층(144a, 144b)은 티타늄(Ti) 또는 이의 합금으로 이루어질 수 있다. 다만, 제2 접합 금속층(144b)은 선택적인 구성으로, 실시예들에 따라 생략될 수 있다. 재배선층(142a, 142b, 142c)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, 재배선층(142a, 142b, 142c)은 비아패드 패턴, 전기연결구조체 패드 패턴 등을 포함할 수 있다.
비아(143a, 143b, 143c)는 서로 다른 층에 형성된 재배선층(142a, 142b, 142c), 접속패드(122) 등을 전기적으로 연결시키며, 그 결과 패키지(10A) 내에 전기적 경로를 형성시킨다. 비아(143a, 143b, 143c) 각각의 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. 예를 들어, 비아(143a, 143b, 143c)를 이루는 시드 금속층(145a) 및 도금 금속층(145b)은 구리(Cu) 또는 이의 합금으로 이루어지고, 접합 금속층(144a, 144b)은 티타늄(Ti) 또는 이의 합금으로 이루어질 수 있다. 비아(143a, 143b, 143c)는 각각 도전성 물질로 완전히 충전되거나, 또는 도전성 물질이 비아의 벽을 따라 형성된 것일 수도 있다. 또한, 형상이 테이퍼 형상, 원통형상 등 당해 기술분야에 공지된 모든 형상이 적용될 수 있다.
배면 배선구조물(190)은 제1 봉합재(130) 상에 배치된 배면 재배선층(192) 및 제1 봉합재(130)를 관통하는 배면 비아(193)를 포함할 수 있다. 배면 비아(193)는 배면 재배선층(192)과 코어부재(110)의 코어 비아(113)를 연결할 수 있다. 배면 재배선층(192) 및 배면 비아(193)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. 배면 재배선층(192)은 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. 배면 비아(193)의 형상은 연결부재(140)의 비아(143a, 143b, 143c)와 동일한 방향의 테이퍼 형상일 수 있다.
패시베이션층(150)은 연결부재(140)를 외부의 물리적 화학적 손상 등으로부터 보호할 수 있다. 패시베이션층(150)은 연결부재(140)의 제3 재배선층(142c)의 적어도 일부를 노출시키는 개구부를 가질 수 있다. 이러한 개구부는 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. 배면 배선구조물(190) 상에도 배면 패시베이션층(155)이 형성될 수 있다.
언더범프금속층(160)은 전기연결구조체(165)의 접속 신뢰성을 향상시켜주며, 그 결과 패키지(10A)의 보드 레벨 신뢰성을 개선해준다. 언더범프금속층(160)은 패시베이션층(150)의 개구부를 통하여 노출된 연결부재(140)의 제3 재배선층(142c)과 연결된다. 언더범프금속층(160)은 패시베이션층(150)의 개구부에 공지의 도전성 물질, 즉 금속을 이용하여 공지의 메탈화(Metallization) 방법으로 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전기연결구조체(165)는 팬-아웃 반도체 패키지(10A)를 외부와 물리적 및/또는 전기적으로 연결시킨다. 예를 들면, 팬-아웃 반도체 패키지(10A)는 전기연결구조체(165)를 통하여 전자기기의 메인보드에 실장될 수 있다. 전기연결구조체(165)는 도전성 물질, 예를 들면, 솔더(solder) 등으로 형성될 수 있으나, 이는 일례에 불과하며 재질이 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 전기연결구조체(165)는 랜드(land), 볼(ball), 핀(pin) 등일 수 있다. 전기연결구조체(165)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.
전기연결구조체(165)의 개수, 간격, 배치 형태 등은 특별히 한정되지 않으며, 통상의 기술자에게 있어서 설계 사항에 따라 충분히 변형이 가능하다. 예를 들면, 전기연결구조체(165)의 수는 수십 내지 수천 개일 수 있으며, 그 이상 또는 그 이하의 수를 가질 수도 있다. 전기연결구조체(165)가 솔더볼인 경우, 전기연결구조체(165)는 언더범프금속층(160)의 패시베이션층(150)의 일면 상으로 연장되어 형성된 측면을 덮을 수 있으며, 접속 신뢰성이 더욱 우수할 수 있다.
전기연결구조체(165) 중 적어도 하나는 제1 반도체 칩(120)의 팬-아웃 영역에 배치된다. 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.
수동부품(180)은 패시베이션층(150)의 하면 상에 배치될 수 있으며, 전기연결구조체(165) 사이에 배치될 수 있다. 수동부품(180)은 제3 재배선층(142c)과 전기적으로 연결될 수 있다. 수동부품(180)은 예컨대 인덕터나 커패시터 등을 포함하는 표면실장(SMT) 부품을 포함할 수 있다.
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 반도체 칩을 배치할 수도 있다. 또한, 필요에 따라서는 관통홀(110H) 내에 별도의 수동부품, 예컨대 인덕터나 커패시터 등을 배치할 수도 있다.
배선기판(210)은 인터포저 기판과 같은 공지의 인쇄회로기판(PCB)일 수 있다. 배선기판(210)은 절연층 및 상기 절연층 내에 형성된 도전성의 배선층을 포함한다. 배선기판(210)의 양면에도 패시베이션층 등이 형성되어 있을 수 있다. 배선기판(210)의 구조 및 형태는 실시예들에서 다양하게 변경될 수 있다. 또한, 실시예들에서, 배선기판(210)과 제1 반도체 패키지(100)의 사이에 인터포저 기판이 더 배치될 수도 있다.
제2 반도체 칩(220)은 병렬로 적층된 복수의 반도체 칩(221, 222, 223, 224)을 포함할 수 있다. 제2 반도체 칩(220)은 접착부재(225)에 의해 배선기판(210) 또는 하부의 제2 반도체 칩(220) 상에 부착될 수 있다. 제2 반도체 칩(220)은 접속패드(221P)에 접속되는 도전성의 와이어(240)에 의해 배선기판(210)의 배선층(212)과 전기적으로 연결될 수 있다. 다만, 실시예들에서 제2 반도체 칩(220)은 배선기판(210) 상에 플립칩 본딩되는 것도 가능하다.
제2 반도체 칩(220)은 역시 소자 수백 내지 수백만 개 이상이 하나의 칩 안에 집적화된 집적회로(Intergrated Circuit: IC)일 수 있다. 집적회로는, 예를 들면, 휘발성 메모리(예컨대, DRAM), 비-휘발성 메모리(예컨대, ROM, 플래시 메모리) 등의 메모리 칩일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 반도체 칩(220)은 각각 접속패드(221P)가 배치된 면이 활성면이 되고, 반대측 면이 비활성면이 된다. 다만, 실시예들에 따라, 제2 반도체 칩(220)은 페이스-다운 형태로 배치될 수도 있다. 제2 반도체 칩(220)은 액티브 웨이퍼를 기반으로 형성될 수 있으며, 이 경우 모재로는 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 갈륨비소(GaAs) 등이 사용될 수 있다. 제2 반도체 칩(220) 내에는 다양한 회로가 형성되어 있을 수 있다. 접속패드(221P)는 제2 반도체 칩(220)을 다른 구성요소와 전기적으로 연결시키기 위한 것으로, 형성물질로는 알루미늄(Al) 등의 도전성 물질을 특별한 제한 없이 사용할 수 있다.
접착부재(225)는 제2 반도체 칩(220)의 비활성면을 각각 하부의 제2 반도체 칩(220) 또는 배선기판(210)의 상면에 용이하게 부착시킬 수 있다. 접착부재(225)는, 예를 들면, 다이부착필름(DAF)과 같은 공지의 테이프일 수 있다. 접착부재(225)의 재료는 특별히 한정되지 않는다. 접착부재(225)는 예를 들면, 에폭시 성분을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 접착부재(225)를 통하여 제2 반도체 칩(220)이 보다 안정적으로 실장될 수 있는바, 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
제2 봉합재(230)는 제2 반도체 칩(220)을 보호할 수 있다. 봉합형태는 특별히 제한되지 않으며, 제2 반도체 칩(220)의 적어도 일부를 감싸는 형태이면 무방하다. 예를 들면, 제2 봉합재(230)는 제2 반도체 칩(220)의 활성면의 적어도 일부를 덮을 수 있으며, 또한 측면의 적어도 일부를 덮을 수 있다. 제2 봉합재(230)는 절연물질을 포함한다. 절연물질로는 감광성 에폭시(Photo Imageable Epoxy: PIE), PID 등을 이용할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 무기필러 및 절연수지를 포함하는 재료, 예컨대 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지, 폴리이미드와 같은 열가소성 수지, 또는 이들에 무기필러와 같은 보강재가 포함된 수지, 구체적으로 ABF 등이 사용될 수도 있다. 또한, EMC 등의 공지의 몰딩 물질을 사용할 수도 있음은 물론이다. 필요에 따라서는, 열경화성 수지나 열가소성 수지가 무기필러 및/또는 유리섬유(Glass Fiber, Glass Cloth, Glass Fabric) 등의 심재에 함침된 재료를 사용할 수도 있다.
상부 접속단자(265)는 배선기판(210)과 배면 배선구조물(190)을 전기적으로 연결할 수 있다. 상부 접속단자(265)는 배선기판(210)의 배선층(212)과 배면 배선구조물(190)의 배면 재배선층(192)의 사이에 개재될 수 있다. 상부 접속단자(265)는 도전성 물질, 예를 들면, 솔더(solder) 등으로 형성될 수 있으나, 이는 일례에 불과하며 재질이 특별히 이에 한정되는 것은 아니다. 상부 접속단자(265)는 랜드(land), 볼(ball), 핀(pin) 등일 수 있다.
도 10a 내지 도 10c는 제1 반도체 칩과 방열부재를 접합하는 공정의 일례를 개략적으로 도시하는 도면들이다.
도 10a참조하면, 서로 접합되는 제1 반도체 칩(120)의 비활성면(120S) 및 방열부재(170)의 하면(170S)에 대하여 연마 공정을 수행한다. 상기 연마 공정은 예를 들어, 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polishing, CMP) 공정을 이용할 수 있다. 도시된 것과 같이, 연마 헤드(320) 및 연마 헤드(320)에 부착된 연마 패드(310)를 포함하는 연마기(300)를 이용하여 상기 연마 공정이 수행될 수 있다. 제1 반도체 칩(120) 및 방열부재(170)는 원자 레벨에서 접합되므로, 이를 위해 약 1 nm 정도의 낮은 표면 거칠기(Ra)를 갖도록 연마될 수 있다.
도 10b를 참조하면, 제1 반도체 칩(120)의 비활성면(120S) 및 방열부재(170)의 하면(170S)에 대하여 활성화(activation) 공정을 수행한다. 상기 활성화 공정은 표면에너지 상태를 높이기 위한 공정일 수 있다. 예를 들어, 상기 활성화 공정은 제1 반도체 칩(120)의 비활성면(120S) 및 방열부재(170)의 하면(170S)에, 아르곤(Ar)과 같은 불활성화 가스의 이온을 이용한 이온 충격(ion bombardment)을 가하여 표면에서의 원자 결합을 끊어내는 공정일 수 있다.
도 10c를 참조하면, 제1 반도체 칩(120)의 비활성면(120S) 상에 방열부재(170)의 하면(170S)을 밀착시키고 가압하는 공정을 수행한다. 상기 가압 공정에 의하여 제1 반도체 칩(120)의 비활성면(120S)과 방열부재(170)의 하면(170S)의 원자들이 서로 밀착되고 원자 레벨에서의 결합을 형성할 수 있다. 상기 가압 공정에서는 예를 들어 약 100 kN의 압력을 가할 수 있으나, 상기 압력은 제1 반도체 칩(120) 및 방열부재(170)의 크기 등에 따라 변경될 수 있다.
이와 같은 공정에 의해, 제1 반도체 칩(120)과 방열부재(170)는 별도의 접착층의 개재없이 직접 접합될 수 있다. 따라서, 반도체 패키지의 구조 및 공정이 단순화될 수 있으며, 제1 반도체 칩(120)으로부터 발생하는 열의 방출이 더욱 효과적으로 이루어질 수 있다.
도 11은 팬-아웃 반도체 패키지의 다른 일례를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도면을 참조하면, 다른 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(10B)는, 방열부재(170)가 상하로 적층된 제1 및 제2 방열층(172, 174)을 포함한다. 제1 및 제2 방열층(172, 174)은 서로 다른 두께를 갖고, 서로 다른 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 하부의 제1 방열층(172)은 그라파이트를 포함하고, 제2 방열층(174)은 구리-그라파이트(Cu-Gr) 복합재료를 포함할 수 있다. 그라파이트는 탄소원자의 육각망 구조에 의해, 수평 방향에서의 열전도도는 높으나, 수직 방향에서의 열전도도가 낮은 열전도도의 이방성(anisotropy)을 갖는다. 따라서, 제1 방열층(172)에 의해 제1 반도체 칩(120)과 인접한 영역에서는 수평 방향에서의 높은 열전도도가 확보되고, 제2 방열층(174)에 의해 수직 방향, 즉 상부로의 열전도도가 확보될 수 있다. 제1 방열층(172)의 두께(T4)는 제2 방열층(174)의 두께(T5)보다 작을 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 그 외에 다른 구성이나 제조 방법에 대한 설명은 상술한 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(10A)에서 설명한 바와 실질적으로 동일한바 생략한다.
도 12는 팬-아웃 반도체 패키지의 다른 일례를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도면을 참조하면, 다른 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(10C)는, 배면 배선구조물(190)이 배면 재배선층(192) 및 배면 비아(193) 외에, 방열 비아(195)를 더 포함한다. 방열 비아(195)는 제1 봉합재(130)를 관통하여 배면 재배선층(192)과 방열부재(170)를 연결할 수 있다. 방열 비아(195)에 의해, 제1 반도체 칩(120)의 열이 더욱 효과적으로 제1 반도체 패키지(100)의 상부로 방출될 수 있다. 방열 비아(195)에는 전기적 신호가 인가되거나 인가되지 않을 수 있다. 방열 비아(195)에 전기적 신호가 인가되지 않는 경우, 방열 비아(195)와 연결되는 배면 재배선층(192)은 방열 패턴층으로 기능할 수 있다. 방열 비아(195)의 형성물질은 배면 비아(193)와 동일할 수 있으며, 방열부재(170)와 상이할 수 있다. 방열 비아(195)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. 그 외에 다른 구성이나 제조 방법에 대한 설명은 상술한 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(10A)에서 설명한 바와 실질적으로 동일한바 생략한다.
도 13은 팬-아웃 반도체 패키지의 다른 일례를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도면을 참조하면, 다른 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(10D)는 코어부재(110)가, 연결부재(140)와 접하는 제1 절연층(111a), 연결부재(140)와 접하며 제1 절연층(111a)에 매립된 제1 배선층(112a), 제1 절연층(111a)의 제1 배선층(112a)이 매립된측의 반대측 상에 배치된 제2 배선층(112b), 제1 절연층(111a) 상에 배치되며 제2 배선층(112b)을 덮는 제2 절연층(111b), 및 제2 절연층(111b) 상에 배치된 제3 배선층(112c)을 포함한다. 제1 내지 제3 배선층(112a, 112b, 112c)은 접속패드(122)와 전기적으로 연결된다. 제1 및 제2 배선층(112a, 112b)과 제2 및 제3 배선층(112b, 112c)은 각각 제1 및 제2 절연층(111a, 111b)을 관통하는 제1 및 제2 비아(113a, 113b)를 통하여 전기적으로 연결된다.
제1 배선층(112a)을 제1 절연층(111a) 내에 매립하는 경우, 제1 배선층(112a)의 두께에 의하여 발생하는 단차가 최소화 되는바, 연결부재(140)의 절연거리가 일정해진다. 즉, 연결부재(140)의 제1 재배선층(142a)으로부터 제1 절연층(111a)의 하면까지의 거리와, 연결부재(140)의 제1 재배선층(142a)로부터 제1 반도체 칩(120)의 접속패드(122)까지의 거리의 차이는, 제1 배선층(112a)의 두께보다 작을 수 있다. 따라서, 연결부재(140)의 고밀도 배선 설계가 용이할 수 있다.
코어부재(110)의 제1 배선층(112a)의 하면은 제1 반도체 칩(120)의 접속패드(122)의 하면보다 상측에 위치할 수 있다. 또한, 연결부재(140)의 제1 재배선층(142a)과 코어부재(110)의 제1 배선층(112a) 사이의 거리는 연결부재(140)의 제1 재배선층(142a)과 제1 반도체 칩(120)의 접속패드(122) 사이의 거리보다 클 수 있다. 이는 제1 배선층(112a)이 제 절연층(111a)의 내부로 리세스될 수 있기 때문이다. 이와 같이, 제1 배선층(112a)이 제1 절연층(111a)의 내부로 리세스되어 제1 절연층(111a)의 하면과 제1 배선층(112a)의 하면이 단차를 가지는 경우, 제1 봉합재(130) 형성물질이 블리딩되어 제1 배선층(112a)을 오염시키는 것을 방지할 수도 있다. 코어부재(110)의 제2 배선층(112b)은 제1 반도체 칩(120)의 활성면과 비활성면 사이에 위치할 수 있다. 코어부재(110)는 제1 반도체 칩(120)의 두께에 대응하는 두께로 형성할 수 있으며, 따라서 코어부재(110) 내부에 형성된 제2 배선층(112b)은 제1 반도체 칩(120)의 활성면과 비활성면 사이의 레벨에 배치될 수 있다.
코어부재(110)의 배선층(112a, 112b, 112c)의 두께는 연결부재(140)의 재배선층(142a, 142b, 142c)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 코어부재(110)는 제1 반도체 칩(120) 이상의 두께를 가질 수 있는바, 배선층(112a, 112b, 112c) 역시 그 스케일에 맞춰 보다 큰 사이즈로 형성할 수 있다. 반면, 연결부재(140)의 재배선층(142a, 142b, 142c)은 박형화를 위하여 배선층(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.
배선층(112a, 112b, 112c)은 제1 반도체 칩(120)의 접속패드(122)를 재배선하는 역할을 수행할 수 있다. 배선층(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. 배선층(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 배선층(112a, 112b, 112c)을 전기적으로 연결시키며, 그 결과 코어부재(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. 제1 비아(113a)를 위한 홀을 형성할 때 제1 배선층(112a)의 일부 패드가 스토퍼(stopper) 역할을 수행할 수 있는바, 제1 비아(113a)는 윗면의 폭이 아랫면의 폭보다 큰 테이퍼 형상인 것이 공정상 유리할 수 있다. 이 경우, 제1 비아(113a)는 제2 배선층(112b)의 패드 패턴과 일체화될 수 있다. 또한, 제2 비아(113b)를 위한 홀을 형성할 때 제2 배선층(112b)의 일부 패드가 스토퍼(stopper) 역할을 수행할 수 있는바, 제2 비아(113b)는 윗면의 폭이 아랫면의 폭보다 큰 테이퍼 형상인 것이 공정상 유리할 수 있다. 이 경우, 제2 비아(113b)는 제3 배선층(112c)의 패드 패턴과 일체화될 수 있다.
그 외에 다른 구성, 예를 들면, 도 9 등을 통하여 설명한 방열부재(170)에 대한 내용 등도 다른 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(10D)에 적용될 수 있으며, 자세한 설명은 상술한 팬-아웃 반도체 패키지(10A) 등에서 설명한 바와 실질적으로 동일한바 자세한 설명은 생략한다.
도 14는 팬-아웃 반도체 패키지의 다른 일례를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도면을 참조하면, 다른 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(10E)는, 코어부재(110)가 제1 절연층(111a), 제1 절연층(111a)의 양면에 배치된 제1 배선층(112a) 및 제2 배선층(112b), 제1 절연층(112a) 상에 배치되며 제1 배선층(112a)을 덮는 제2 절연층(111b), 제2 절연층(111b) 상에 배치된 제3 재배선층(112c), 제1 절연층(111a) 상에 배치되어 제2 배선층(112b)을 덮는 제3 절연층(111c), 및 제3 절연층(111c) 상에 배치된 제4 배선층(112d)을 포함한다. 제1 내지 제4 배선층(112a, 112b, 112c, 112d)는 접속패드(122)와 전기적으로 연결된다. 코어부재(110)가 더 많은 수의 배선층(112a, 112b, 112c, 112d)을 포함하는바, 연결부재(140)를 더욱 간소화할 수 있다. 따라서, 연결부재(140) 형성 과정에서 발생하는 불량에 따른 수율 저하를 개선할 수 있다. 한편, 제1 내지 제4 배선층(112a, 112b, 112c, 112d)은 제1 내지 제3 절연층(111a, 111b, 111c)을 각각 관통하는 제1 내지 제3 비아(113a, 113b, 113c)를 통하여 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 절연층(111a)은 제2 절연층(111b) 및 제3 절연층(111c)보다 두께가 두꺼울 수 있다. 제1 절연층(111a)은 기본적으로 강성 유지를 위하여 상대적으로 두꺼울 수 있으며, 제2 절연층(111b) 및 제3 절연층(111c)은 더 많은 수의 배선층(112c, 112d)을 형성하기 위하여 도입된 것일 수 있다. 제1 절연층(111a)은 제2 절연층(111b) 및 제3 절연층(111c)과 상이한 절연물질 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 절연층(111a)은 심재, 필러, 및 절연수지를 포함하는, 예컨대, 프리프레그일 수 있고, 제2 절연층(111c) 및 제3 절연층(111c)은 필러 및 절연수지를 포함하는 ABF 필름 또는 PID 필름일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 유사한 관점에서, 제1 절연층(111a)을 관통하는 제1 비아(113a)는 제2 및 제3 절연층(111b, 111c)을 관통하는 제2 및 제3 비아(113b, 113c)보다 직경이 클 수 있다.
코어부재(110)의 제3 배선층(112c)의 하면은 제1 반도체 칩(120)의 접속패드(122)의 하면보다 하측에 위치할 수 있다. 또한, 연결부재(140)의 제1 재배선층(142a)과 코어부재(110)의 제3 배선층(112c) 사이의 거리는 연결부재(140)의 제1 재배선층(142a)과 제1 반도체 칩(120)의 접속패드(122) 사이의 거리보다 작을 수 있다. 제3 배선층(112c)이 제2 절연층(111b) 상에 돌출된 형태로 배치될 수 있으며, 그 결과 연결부재(140)와 접할 수 있기 때문이다. 코어부재(110)의 제1 배선층(112a) 및 제2 배선층(112b)은 제1 반도체 칩(120)의 활성면과 비활성면 사이에 위치할 수 있다. 코어부재(110)는 제1 반도체 칩(120)의 두께에 대응하게 형성할 수 있는바, 코어부재(110) 내부에 형성된 제1 배선층(112a) 및 제2 배선층(112b)은 제1 반도체 칩(120)의 활성면과 비활성면 사이 레벨에 배치될 수 있다.
코어부재(110)의 배선층(112a, 112b, 112c, 112d)의 두께는 연결부재(140)의 재배선층(142a, 142b, 142c)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 코어부재(110)는 제1 반도체 칩(120) 이상의 두께를 가질 수 있는바, 배선층(112a, 112b, 112c, 112d) 역시 보다 큰 사이즈로 형성할 수 있다. 반면, 연결부재(140)의 재배선층(142a, 142b, 142c)은 박형화를 위하여 보다 상대적으로 작은 사이즈로 형성할 수 있다.
그 외에 다른 구성, 예를 들면, 도 9 등을 통하여 설명한 방열부재(170)에 대한 내용 등도 다른 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지(10E)에 적용될 수 있으며, 자세한 설명은 상술한 팬-아웃 반도체 패키지(10A) 등에서 설명한 바와 실질적으로 동일한바 자세한 설명은 생략한다.
도 15a 내지 도 15c는 일례에 따른 팬-아웃 반도체 패키지의 방열 효과를 개략적으로 나타내는 그래프들이다.
도 15a를 참조하면, 도 9와 같은 팬-아웃 반도체 패키지(10A)에서, 방열부재(170)의 조건이 서로 다른 비교예 1 내지 4 및 실시예에 대한 AP 접합 온도를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 상기 AP 접합 온도는 AP인 제1 반도체 칩(120) 내의 발열 지점(hot spot)에서의 온도를 의미한다. 비교예 1의 경우, 제1 반도체 칩(120)의 두께가 300 ㎛이고 방열부재(170)가 없는 경우이며, 비교예 2의 경우, 제1 반도체 칩(120)의 두께가 290 ㎛이고 방열부재(170)가 10 ㎛ 두께의 구리(Cu)인 경우, 비교예 3의 경우, 제1 반도체 칩(120)의 두께가 150 ㎛이고 방열부재(170)가 130 ㎛ 두께의 구리(Cu)이며 20 ㎛ 두께의 다이부착필름(DAF)에 의해 제1 반도체 칩(120)에 부착된 경우, 비교예 4의 경우, 제1 반도체 칩(120)의 두께가 150 ㎛이고 방열부재(170)가 130 ㎛ 두께의 단결정 실리콘 카바이드(SiC)이며 20 ㎛ 두께의 다이부착필름(DAF)에 의해 제1 반도체 칩(120)에 부착된 경우이다. 실시예의 경우는, 제1 반도체 칩(120)의 두께가 150 ㎛이고 방열부재(170)가 150 ㎛ 두께의 단결정 실리콘 카바이드(SiC)이며 제1 반도체 칩(120)에 직접 접합된 경우를 나타낸다.
도시된 것과 같이, 비교예 1과 같이 방열부재(170)가 없는 구조에 비하여, 비교예 2와 같이 방열부재(170)가 있는 경우가 접합 온도가 낮으며, 비교예 3과 같이 방열부재(170)의 두께가 증가하면 접합 온도도 감소한다. 비교예 3과 비교예 4와 같이 동일한 조건에서, 실리콘 카바이드(SiC)가 사용된 경우가 구리(Cu)보다 접합 온도가 낮다. 또한, 실시예에서와 같이 방열부재(170)가 제1 반도체 칩(120)에 직접 접합된 경우, 접합 온도가 약 67도로 가장 낮게 나타난다. 이는, DAF와 같은 접착층을 생략함에 따라 방열 효율이 향상되었으며, 생략된 접착층의 두께만큼 방열부재(170)의 두께를 상향하여 방열 특성이 향상될 수 있기 때문이다.
도 15b를 참조하면, 도 11과 같은 팬-아웃 반도체 패키지(10B)에서, 방열부재(170)의 조건이 서로 다른 비교예 및 실시예에 대한 AP 접합 온도를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 비교예는 제1 반도체 칩(120)의 두께가 300 ㎛이고 방열부재(170)가 없는 경우에 대한 것이고, 실시예는 제1 반도체 칩(120)의 두께가 150 ㎛이고 방열부재(170)가 2 ㎛ 두께의 그라파이트로 구성된 제1 방열층(172) 및 148 ㎛의 구리-그라파이트 복합재료로 구성된 제2 방열층(174)으로 이루어진 경우에 대한 것이다. 실시예의 경우, 그라파이트의 수평 방향에서의 열전도도 값을 500 W/mK 내지 10000 W/mk의 범위에서 변화시키면서 시뮬레이션한 결과들을 나타내었다. 이와 같은 그라파이트의 열전도도는 측정 방향, 그라파이트의 두께, 형성 방법 등에 따라 달라질 수 있다.
도시된 것과 같이, 비교예의 경우, 약 75도의 접합 온도를 나타내었으나, 실시예들에서는 66.9도 내지 68.6도의 범위의 접합 온도를 나타내었다. 따라서, 실시예들의 경우 상기와 같은 구조의 방열부재(170)의 사용으로 방열 특성이 향상됨을 알 수 있다.
도 15c를 참조하면, 도 9와 같은 팬-아웃 반도체 패키지(10A)에서, 방열부재(170)의 조건이 서로 다른 비교예 및 실시예에 대한 AP 접합 온도를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다. 비교예 1은 제1 반도체 칩(120)의 두께가 160 ㎛이고 방열부재(170)가 없는 경우에 대한 것이고, 실시예 1은 제1 반도체 칩(120)의 두께가 158 ㎛이고 방열부재(170)가 2 ㎛ 두께의 그라파이트인 경우에 대한 것이다. 비교예 2는 제1 반도체 칩(120)의 두께가 300 ㎛이고 방열부재(170)가 없는 경우에 대한 것이고, 실시예 2는 제1 반도체 칩(120)의 두께가 298 ㎛이고 방열부재(170)가 2 ㎛ 두께의 그라파이트인 경우에 대한 것이다. 실시예들의 경우, 그라파이트의 수평 방향에서의 열전도도 값을 500 W/mK 내지 10000 W/mk의 범위에서 변화시키면서 시뮬레이션한 결과들을 나타내었다.
도시된 것과 같이, 비교예 1의 경우, 가장 높은 접합 온도를 나타내었으며, 실시예 1에서는 비교예 1보다 낮은 접합 온도를 나타내었다. 비교예 2의 경우, 비교예 1보다 낮은 접합 온도를 나타내었으며, 실시예 2에서는 비교예 2보다 낮은 접합 온도를 나타내었다. 이와 같이, 제1 반도체 칩(120)의 두께가 얇은 경우 상대적으로 높은 접합 온도를 나타낸다. 다만, 방열부재(170)로 사용하는 물질의 열전도도가 클수록 제1 반도체 칩(120)의 두께에 따른 차이가 감소하였다. 따라서, 제1 반도체 칩(120)의 두께가 방열 효과에 영향을 미치지만, 제1 반도체 칩(120)의 두께가 상대적으로 얇더라도 방열부재(170)의 열전도도가 높은 경우, 반도체 칩(120)의 두께가 두꺼운 경우에 근접한 방열 효과가 나타날 수 있음을 알 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 일례라는 표현은 서로 동일한 실시예를 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: 반도체 칩 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: 반도체 칩
2121: 바디 2122: 접속패드
2140: 연결부재 2141: 절연층
2142: 재배선층 2143: 비아
2150: 패시베이션층 2160: 언더범프금속층
2170: 솔더볼 100, 200: 반도체 패키지
10A~10E: 반도체 패키지 110: 코어부재
111, 112a, 112b, 112c: 코어 절연층 112a, 112b, 112c, 112d: 배선층
113, 113a, 113b, 113c: 코어 비아
120, 220, 221, 222, 223, 224: 반도체 칩
121: 바디 122, 221P: 접속패드
123: 패시베이션막 130, 230: 봉합재
140: 연결부재 141a, 141b, 141c: 절연층
142a, 142b, 142c: 재배선층 143a, 143b, 143c: 비아
150, 155: 패시베이션층 160: 언더범프금속층
165: 전기연결구조체 170: 방열부재
180: 수동부품 190: 배면 배선구조물
210: 배선기판 225: 접착부재
240: 와이어 265: 상부 접속단자
300: 연마기 310: 연마 패드
320: 연마 헤드

Claims (16)

  1. 관통홀을 갖는 코어부재;
    상기 코어부재의 관통홀에 배치되며, 접속패드가 배치된 활성면 및 상기 활성면의 반대측에 배치된 비활성면을 갖는 반도체 칩;
    상기 반도체 칩의 비활성면에 직접 접합된 방열부재;
    상기 반도체 칩의 적어도 일부를 봉합하는 봉합재; 및
    상기 반도체 칩의 활성면 상에 배치되며, 상기 반도체 칩의 접속패드와 전기적으로 연결된 재배선층을 포함하는 연결부재를 포함하는 팬-아웃 반도체 패키지.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 방열부재는 실리콘 카바이드(SiC)), 그라파이트(graphite), 및 금속-그라파이트 복합재료 중 적어도 하나를 포함하는 팬-아웃 반도체 패키지.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 방열부재는 2 ppm/K 내지 10 ppm/K의 범위의 열팽창계수를 갖는 팬-아웃 반도체 패키지.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 방열부재는 평면 상에서 상기 반도체 칩과 동일한 크기를 가지며, 상기 반도체 칩의 비활성면 전체와 직접 접촉되는 팬-아웃 반도체 패키지.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 방열부재는 상기 관통홀 내에 위치하는 팬-아웃 반도체 패키지.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 방열부재는 상기 반도체 칩 상에 순차적으로 적층된 제1 및 제2 방열층을 포함하는 팬-아웃 반도체 패키지.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 방열층은 그라파이트를 포함하고, 상기 제2 방열층은 구리-그라파이트 복합재료를 포함하는 팬-아웃 반도체 패키지.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 방열부재의 열전도도는 실리콘(Si)보다 높은 팬-아웃 반도체 패키지.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 방열부재는 250 W/mK 내지 500 W/mK의 범위의 열전도도를 갖는 팬-아웃 반도체 패키지.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 방열부재의 두께는 상기 반도체 칩의 두께와 동일하거나 작은 팬-아웃 반도체 패키지.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 봉합재 상에 배치되는 배면 재배선층; 및
    상기 봉합재를 관통하며, 상기 배면 재배선층과 상기 방열부재를 연결하는 방열 비아를 더 포함하는 팬-아웃 반도체 패키지.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 연결부재의 하면에 부착된 수동부품을 더 포함하는 팬-아웃 반도체 패키지.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 코어부재는, 제1 코어 절연층, 상기 연결부재와 접하며 상기 제1 코어 절연층에 매립된 제1 배선층, 및 상기 제1 코어 절연층의 상기 제1 배선층이 매립된측의 반대측 상에 배치된 제2 배선층을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 배선층은 상기 접속패드와 전기적으로 연결되는 반도체 패키지.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 코어부재는, 제1 코어 절연층, 및 상기 제1 코어 절연층의 양면에 배치된 제1 배선층 및 제2 배선층을 포함하며,
    상기 제1 및 제2 배선층은 상기 접속패드와 전기적으로 연결되는 반도체 패키지.
  15. 관통홀을 갖는 코어부재, 상기 코어부재의 관통홀에 배치되며, 접속패드가 배치된 활성면 및 상기 활성면의 반대측에 배치된 비활성면을 갖는 제1 반도체 칩, 상기 제1 반도체 칩의 비활성면에 직접 접합된 방열부재, 상기 제1 반도체 칩의 적어도 일부를 봉합하는 제1 봉합재, 및 상기 제1 반도체 칩의 활성면 상에 배치되며, 상기 제1 반도체 칩의 접속패드와 전기적으로 연결된 재배선층을 포함하는 연결부재를 포함하는 제1 반도체 패키지; 및
    상기 제1 반도체 패키지 상에 배치되며, 접속단자를 통해 상기 연결부재와 전기적으로 연결되는 배선기판, 상기 배선기판 상에 배치된 적어된 하나의 제2 반도체 칩, 및 상기 제2 반도체 칩의 적어도 일부를 봉합하는 제2 봉합재를 포함하는 제2 반도체 패키지를 포함하는 팬-아웃 반도체 패키지.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 방열부재는 2 ppm/K 내지 10 ppm/K의 범위의 열팽창계수를 갖는 팬-아웃 반도체 패키지.
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