CSP 기술동향(Rigid Substrate)

대표적인 Rigid substrate CSP 패키지

 

Rigid substrate CSP는 반도체 소자를 단단한 기판위에 접착하여 제조하는 패키지로서 rigid 기판은 PCB 기판과 같은 유기 또는 세라믹 또는 실리콘과 같은 무기 기판을 사용합니다. 소자는 와이어 본딩 방법을 사용하거나 작은 패키지를 구현하기 위해서는 플립칩 범프된 칩을 사용합니다. Rigid substrate CSP 패키지는 견고하며, 많은 I/O를 다룰 수 있고, 또한 수율이 매우 높은 장점이 있습니다. 그러나 열관리 면에서 직접적인 방열 통로가 어렵고, 열관리에 따른 가격상승 문제, 또한 플립칩/BGA 구조에서 열피로에 따른 신뢰성 문제 등이 문제가 되어 경우에 따라 underfill의 사용을 필요로 합니다. 또 한가지 단점은 여러 CSP 패키지 중에서 가장 높이가 높은 문제(1.0～1.4mm)가 있습니다. 위그림은 일반적인 Rigid substrate CSP를 나타냅니다.
대표적인 rigid substrate CSP 패키지에는 IBM, 마쯔시타, 모토롤라, 도시바 패키지 등이 있습니다. 사용되는 rigid substrate는 세라믹 또는 PCB 계통의 유기 기판이 사용됩니다. rigid substrate CSP는 기존의 플라스틱, 세라믹 BGA 패키지의 연장으로서 이를 더욱 작게 만든 것으로, BGA 패키지에 비해 크기와 함께 전기적 성능이 개선된 것이 장점입니다. 칩 연결은 와이어 본딩 또는 플립칩 기술이 공히 사용됩니다.

 

 

IBM mini-BGA CSP 패키지

 

위그림은 IBM mini-BGA CSP 패키지로서 IBM이 보유하고 있는 세라믹 기판과 플립칩 기술을 사용한 것으로 그 역사가 거의 20년정도 됩니다. 이 패키지는 IBM의 고속 컴퓨터에 사용됩니다. 격자형 플립칩 기술은 750개 신호 I/O와 750 power/ground I/O를 연결할 수 있고, 패키지 크기는 21X 21 mm로 작게 유지할 수 있습니다. Mini-BGA는 추후 PCB 기판에 어셈블링하기 위해 공정 Pb/Sn 솔더볼을 사용합니다. 칩 크기는 10X10 mm 로서 고온 90/10 Pb/Sn 솔더볼을 사용하여 세라믹 기판에 플립칩 합니다. 비록 칩/기판 면적 비율이 45%로서 CSP 규격인 80에 미달하지만, 이 경우 칩의 1500개에 달하는 I/O 개수와 decoupling capacitor의 사용에 의해 크기가 증가하였지만 기본적인 패키지 개념을 이용하여 쉽게 CSP를 구현할 수 있게 설계되어 있습니다.

 

 

 

마쯔시타의 SBB(stud bump bonding) CSP 패키지와 stud 범프 모습

 

위그림은 마쯔시타의 SBB(stud bamp bonding) CSP 패키지입니다. 칩은 금 본딩와이어를 사용한 금 스터드 범프를 사용하며, 금 스터드 범프에 전도성 에폭시를 도포하여 이를 사용하여 칩 범프와 세라믹 기판 패드를 전기적으로 연결합니다. 18㎛ 금 본딩 와이어를 사용하면 60㎛ 직경 범프를 100㎛ 피치로 초당 8 범프의 속도로 형성할 수 있습니다. 범프의 평탄성을 개선하기위해 주조를 하여 범프의 높이를 1㎛ 공차 범위로 만들 수 있습니다. 금 범프에 전도성 에폭시를 도포할 때는 전도성 에폭시가 코팅되어 있는 표면에 칩을 내려서 dip coating 방법으로 도포합니다. 전도성 에폭시가 도포된 칩을 기판에 정렬 및 접착시킨 후 에폭시를 경화 시킵니다. 이때 범프의 접속 저항은 약 50mohm 정도입니다. SBB CSP에 사용되는 세라믹 기판은 양면 기판으로서 비아를 통해 아래 위 면이 연결됩니다. 비아 홀과 도전선은 산화구리 페이스트로 채워지며, 기판은 글래스 세라믹으로서 900℃에서 소결됩니다.

 

 

도시바의 CSTP(Chip Scale Thin Package) 패키지

 

위그림은 도시바의 CSTP(Chip Scale Thin Package)로서 플립칩과 ceramic land grid array 기판을 사용합니다. 특이한 점은 금-금 열압착 방법을 사용하여 칩을 알루미나 기판에 접속시킵니다. 플립칩 접속 후에는 underfill을 사용하여 칩과 기판 사이를 채워 신뢰성을 향상 시킵니다. 알루미나 기판의 양 도전 층은 마쯔시타의 SBB(stud bamp bonding) CSP 기판과 같이 filled via를 사용하여 연결됩니다. 알루미나 기판은 land grid array 패드로 되어 있습니다. 칩의 발열량이 많을 경우 AlN 기판을 사용하기도 합니다. 금-금 열압착 방법은 범프 당 50-150 grams 압력과 350-450 C 기판 온도와 10-60초 본딩 시간을 사용합니다. 따라서 솔더 플립칩에 비해 flux를 사용하지 않고, 클리닝의 필요가 없으며, 와이어 본딩 접속보다 접착력이 강한 장점 있습니다. 금 범프는 전해 도금법을 사용하여  20-50㎛ 높이로 도금합니다. 도시바 CSTP 패키지는 BT 함성수지을 사용한 유기 기판을 사용하기도 합니다. 이 경우는 솔더 플립칩 방법을 사용하기도 합니다.

 

 

모토롤라의 SLICC(Slightly Larger than IC Carrier) CSP

 

위그림은 모토롤라의 SLICC(Slightly Larger than IC Carrier) CSP 패키지입니다. 기종의 BGA 패키지를 개선한 것으로 칩 쪽의 솔더범프는 고용융점 솔더나 공정 Pb/Sn 솔더를 사용합니다. 공정 솔더를 사용하는 것이 가격이 저렴하며, underfill을 하고 나면 추후 BGA 솔더볼을 접착할 경우에도 신뢰성에 큰 문제가 없는 것으로 알려져 있습니다. SLICC CSP 패키지의 유기기판에는 지경 500㎛ 솔더볼을 사용합니다. SLICC 기판으로는 FR-4나 BT 합성수지를 사용한 양면 기판을 사용합니다.

 

 

 

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