MCM-C 기판의 요구 특성 및 열방출 설계

 

 

상기그림에서 금속 배선 패턴이 되어있는 세라믹판을 겹쳐서 소결한 MLC(Multilayer Ceramic) 구조 위에 칩을 플립칩 기술로 연결시킨 구조를 보여줍니다. MLC의 위에 박막을 증착하여 다층배선구조를 만드는 MCM-C/D도 많이 사용됩니다. 이러한 구조는 MCM-C와 MCM-D의 유리한점들을 동시에 얻을 수 있습니다. MLC 구조는 세라믹 분말을 바인더와 혼합하여 슬러리 형태로 만들어 Tape Casting 공정을 거쳐 Green Sheet로 얻어집니다. Green Sheet를 Cutting, Punching한 후, 금속을 Screen Printing하여 배선을 형성한 후 이것들을 겹쳐서 Co-Firing하여 만들어집니다. 이렇게 만들어지는 MLC의 요구특성들을 정리하면 다음과 같습니다.

․신호 전파
․큰 칩을 수용할 수 있도록 열팽창을 실리콘에 매칭시킴
․직접 솔더본딩 된 회로
․추가 전원 배분을 위한 전기 전도성
․전원 배분 향상을 위한 열 전도성
․보다 많은 회로를 지원하기 위한 I/O 커넥션 

 

 

여러 소자 기술의 Speed vs Power

 

여러 개의 소자가 모여 있음으로 인해 MCM-C는 발생되는 열을 외부로 쉽게 방출시켜야만 하므로 기판의 열전도도를 향상시켜야 합니다. 온도가 변화하게 되면 열팽창 계수의 차이에 의한 응력이 발생됩니다. 이러한 응력은 기판과 칩간의 응력을 일어나게 하거나, 배선의 단락을 발생시키게 됩니다. 따라서 실리콘과 열팽창 계수가 유사한 기판 재료를 사용하는 것이 매우 중요합니다. 또한 MCM-C의 경박단소화를 위해서는 고집적된 회로를 구성하여야 하는데, 이러한 고집적화는 배선의 저항과 절연체의 유전율에 의한 신호 지연(Signal Delay)을 발생시키게 됩니다. 이러한 요구특성을 만족시키기 위해서 세라믹과 배선금속의 특성 및 MCM-C 회로의 설계를 개선해야합니다.
높은 칩밀도를 가진 MCM의 열방출은 특히 MCM-C의 실제적인 문제입니다. MCM-C 패키지에 인가되는 열흐름 수준은 지금 10W/cm2을 넘어서고 있으며 미래에는 50-100W/cm2에 도달할 것입니다. 이러한 열의 제거가 원활하지 못할 경우에 나타나는 예를 살펴보면, MOSFET에서 온도의 상승은 스위칭 속도의 감소를 초래하며 또한 시스템에서 살펴보면 전기적 이동, 부식 및 계면확산이 증가하여 금속화와 결합된 계면에서의 파괴로 이어집니다. 작동온도에서의 대략 10℃ 상승에 의해 파괴까지의 평균시간은 반으로 감소합니다. 그러므로 적용 가능한 범위 내에서의 장치의 온도유지를 위한 열을 제거하는 냉각기술이 매우 중요합니다.
MCM-C의 열적 성능에 영향을 미치는 주요한 인자는 다음과 같습니다.

 

․소자 기술, 집적도 정도 및 크기
․소자 연결방법 (플립칩, TAB, 와이어 본딩)
․기판 재료
․소자 접착방법
․패키지 열설계
․냉각 방법

 

가) 소자기술
상기그림에서 보는 바와 같이 소자기술에 따라 다양한 전력방출을 나타내며 전력방출은 (회로밀도/단일칩영역)2에 반비례합니다.

 

나) 소자 연결방법
높은 수의 I/O를 가진 소자에 대해 플립칩 방법이 WB, TAB에 비해 효과적으로 연속적인 열전달 층을 제공합니다. 또한 플립칩이 칩의 뒷면이 전기적 또는 기계적 연결이 자유롭기 때문에 heat sink의 다양한 접촉을 제공하는 장점이 있습니다.

 

 

 

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