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NEC FPBGA(Fine Pitch BGA) 패키지 및 제작 공정

Flexible Substrate CSP는 flex tapes이나 TAB과 같은 interposer를 사용하여 칩의 본드 패드 구조를 SMT 피치와 footprint에 맞도록 변경시키는 CSP 패키지 방법입니다. 여기 사용되는 flex tape interposers는 칩과 SMT footprint 구조에 우수한 interconnet 밀도를 제공해 주고 있습니다. 칩과 interposer 사이의 접속방법으로는 TAB 방법, 와이어 본딩, 플립칩 방법 모두 사용 가능합니다. Flex circuit interposers CSP 패키지는 가장 보편적으로 널리 사용되는 방법으로서 그 장점으로는 높은 I/O 가능, 낮은 패키지 두께, 우수한 신뢰성, 칩 표면으로부터 직접적으로 열방출 가능 등이 있습니다.
Flexible Substrate를 사용하는 CSP는 Tessera, NEC, Nitto Denko 패키지 등이 있습니다. 상기의 그림은 NEC의 molded TCP(tape carrier package) 구조를 사용한 FPBGA(Fine Pitch BGA) 및 제작 공정을 나타내었습니다.
이 패키지는 0.5mm I/O 피치와 거의 칩과 동일한 크기 입니다. 일반적인 TCP 테이프, 접합 기술, 공정 및 장비를 사용함으로 가격 경쟁력이 우수한 패키지입니다. 캐리어 테이프(Carrier Tape)는 에칭된 구리/폴리이미드 베이스 필름과 filled vias와 폴리이미드 커버 코팅을 가집니다. 칩은 금 볼 본딩(gold ball bonding)방법으로 제작된 금 범프(gold bump) 구조를 가지며, 범프 형성 후 열가소성 접착제 필름을 도포합니다. 캐리어 테이프의 내측 범프는 도금 방법으로 형성합니다. 이중 범프 본딩 방법을 사용하여 칩 범프와캐리어 테이프의 내측 범프 간의 본딩을 한 후 테이프의 뒷면에 솔더 범핑을 하여 패키지를 제작합니다.

Nitto Denko Resin-Molded CSP 패키지

Nitto Denko는 필름의 한 면 또는 양면에 전기 도금된 미세 피치 범프를 형성한 ASMAT film을 이용하여 CSP 패키지를 제작합니다. 상기 그림은 Nitto Denko의 Resin-Molded CSP 패키지입니다. 금 범프된 ASMAT 필름을 이용하여 칩의 Al 패드에 직접 열과 압력으로 플립칩 접속하여 패키지를 제조합니다. 특별히 제작된 TAPI(thermo-adhesive polyimide)를 사용하여 칩과 테잎의 접착력을 개선하였습니다.

Tessera Micro BGA CSP 패키지

상기 그림은 Flexible Substrate CSP의 한 예인 Tessera Micro BGA를 나타냅니다.

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특성별 접착제는 혐기성 접착제와 경화특성적인 면을 강조하는 경우도 있으나, 일반적으로 접착제의 상품류로 적용될 만큼 특성이 강조되고 있어 전도성 접착제, 난연 접착제, 내열 접착제, 제진 접착제 등과 함께 특성별 접착제로 분류하였습니다.
혐기성 접착제는 공기를 차단하면 중합, 경화되어 접착작용을 나타내는 접착제로 미국의 General Electric사가 개발하여  Anaerobic Permafil로 제품화한 기계요소용 접착제가 최초입니다. 혐기성 접착제는 주로 볼트나 너트의 접착·고정에 사용되어 왔으나 최근에는 자동차, 일반기계산업, 전기·전자 부품의 접착에 많이 이용되고 있습니다. 폴리에테르나 폴리에스테르를 말단 아크릴 변성시킨 것이 사용되었으며, 우레탄이나 에폭시를 변성시킨 것이 사용되고 있으며, 마이크로 캡슐형으로 제조되는 것도 있습니다.
기본조성은 주성분인 아크릴레이트 모노머와 삼차 아민, 과산화물 및 사카린 등으로 이루어지며, 그 외에 착색제, 점도 조정제, 밀착부여제 등 기타 첨가제 등으로 조제됩니다.
탄성접착제는 접착층이 고무와 유사한 수준의 변형능력을 지니는 접착제로 접착소재는 변성 실리콘수지가 대부분이며 분자량 및 분자량 분포의 조절, 에폭시수지와의 하이브리드화, 아크릴골격의 도입, 다른 고분자와의 분산중합 등의 방법에 의해 특성을 개선하고 있습니다. 고무탄성을 나타내므로 외부의 진동,  충격 등의 응력과 팽창, 수축 등의 열변형을 흡수한다. 또한 접착계면에 응력집중이 일어나지 않고, 선팽창 계수의 차이가 큰 이종재료를 접착시킬 수 있어 자동차, 정밀기계, 건축·토목, 복층유리의 접합 등에 광범위하게 적용되고 있습니다.
전도성 접착제는 전기 전도성을 가진 접착제로 접합과 도전성 부여의 두가지 특성을 보유하고 있어, 수정 진동자와 금속, 성형 카본과 금속, IC, LED, LSI칩 및 광전도 소자 등의 접착에 이용되고 있습니다. 전도성 입자, 수지, 용제 3가지 성분으로 구성되어 있으며, 신뢰성, 취급용이성 면에서 전도성 입자로서는 은분, 동분, 니켈 분말과 같은 금속 분말, 수지로서는 에폭시수지, 페놀수지가 주로 사용되고 있습니다.
난연성 접착제는 접착용 수지에 난연제를 첨가하는 방법으로 제조됩니다. 에폭시계, 실리콘계, 올레핀계, 고무계, 아크릴계, EVA, PVC, 페놀계 수지 등이 사용됩니다. 접착제의 난연화 기술도 고분자 물질의 난연화 기술을 그대로 적용하여 개발되고 있습니다.
내열성 접착제는 내열성이 우수한 방향족 구조를 갖는 수지를  Base 수지로 적용하여 개발되었습니다. 초기에는 에폭시계 수지가 내열성이 요구되는 구조용 접착제로서 사용되었지만 내열성의 한계 때문에 폴리벤즈이미다졸계(PBI), 폴리페닐퀴녹사졸린계(PPQ), 폴리벤즈옥사졸계(PBO), 폴리벤즈티아졸계(PBT), 폴리아미드이미드계(PAI), 폴리이미드계(PI) 내열성 고분자가 개발되어 접착제에 응용되고 있습니다.
제진 접착제는 접착면이 제진 특성을 나타내는 것으로 발생된 진동을 열에너지 형태로 변환하여 진동을 감쇄시키는 것입니다. 접착층의 두께 및 재료의 제진특성을 이용하여 응용되고 있습니다.

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리드프레임 CSP 패키지 (Lead On Chip 패키지)

리드프레임 CSP 패키지는 기존의 리드프레임을 사용한 플라스틱 패키지의 리드프레임의 설계를 변경하여 패키지의 크기를 CSP 규격에 맞도록 줄인 것으로서 대표적인 패키지는 메모리 소자에 사용되는 LOC(Lead On Chip) 패키지라 할수 있습니다. LOC 패키지의 경우 반도체의 가운데에 I/O 패드를 위치한 중심 패드 칩을 사용합니다. 반도체 소자를 양면테이프를 이용하여 리드프레임의 리드가 칩의 가운데 면으로 향하도록 설계된 리드프레임에 접착 합니다. 이후 칩 I/O 패드와 리드프레임의 안쪽을 와이어 본드로 연결하고 플라스틱 몰딩을 하며 기존 플라스틱 패키지와 유사하며 패키지 크기를 매우 작게 할 수 있는 리드프레임 CSP 패키지를 제조할 수 있습니다.

히타치사의 LOC 패키지 모습

대표적인 리드프레임 CSP 패키지는 히타치 Cable사의 LOC-CSP 패키지입니다. 폴리이미드 필름에 폴리에테르아미드 열가소성 접착제를 도포한 필름을 사용하여 리드프레임과 chip을 열과 압력을 가함으로 접착합니다. 이러한 얇은 폴리머와 접착제 두께로 말미암아 칩 표면에서의 수분 흡습을 감소시키며 신뢰성을 증가시킬 수 있습니다. 최초의 LOC 패키지는 64 MDRAM에 사용되었으며 칩/패키지 면적비가 70-90%입니다. 비록 가장 작은 CSP 패키지는 아니지만 패키지 크기, 신뢰성, 가격 및 JEDEC 표준 등의 장점을 갖습니다.

후지쯔 사의 MF-LOC와 L/F LOC 패키지

이와 같은 초기 LOC 패키지를 개선하여 더욱 작은 리드프레임 CSP를 구현한 것이 후지쯔가 개발한 두가지 리드프레임 CSP인 MF-LOC(Multiframe LOC)와 Tape-LOC입니다.

후지쯔 리드프레임 LOC 패키지 제조공정

MF-LOC 패키지는 두단계 리드프레임을 사용합니다. 칩을 접착한 앞면 리드프레임과 칩의 뒷면을 보호하기 위한 리드프레임을 용접한 후 와이어 본딩을 합니다. EMC를 사용하여 몰딩한 후 금속 다이 접착 리드를 노출시킵니다. 리드프레임 trim과 forming을 한 후 패키지는 완결됩니다. Tape-LOC의 경우 리드프레임 한 개만을 사용하여 칩의 윗면에 폴리이미드 테잎을 사용하여 접착합니다. 추후의 공정은 MF-LOC와 동일합니다. 더 이상의 리드프레임이 필요하지 않고, 칩의 뒷면은 그대로 노출되어 열 방출에 사용할 수 있습니다. 후지쯔는 리드프레임 LOC 패키지를 메모리 소자 패키지용으로 개발하고 있습니다.

후지쯔 고집적 3차원 리드프레임 LOC 패키지

한편 후지쯔 리드프레임 LOC 패키지는 고집적 3차원 패키지용으로 사용될 수 있습니다. 칩 표면에 바로 접착된 리드프레임과 솔더링을 하기위한 wraparound 리드를 사용한 수직 MF LOC패키지를 나타냅니다. 이 패키지의 특징은 열 방출을 위하여 리드프레임과 리드를 독특하게 설계한 것이라 할 수 있습니다.

하이닉스의 BLP 패키지

다른 리드프레임 LOC 패키지는 하이닉스의 초박형 BLP(Bottom Lead Package)입니다. BLP 패키지의 특징은 0.8 mm 두께와 크기를 줄이기 위해 외부 리드를 없애고 패키지 바닥에 바텀 패드(bottom pad)를 만든 특이한 리드프레임 설계를 사용하였습니다.

두께 200㎛ Alloy 42 리드프레임과 3개의 notch를 사용하여 몰딩과 리드형성에 용이하도록 설계하였으며, thermoplastic 접착제 테이프를 사용하여 칩을 리드프레임에 접착합니다. 또한 칩은 280㎛ 두께로 갈아내어 사용하며, molding compound 두께는 칩의 위, 아래 면에서 270㎛ 입니다. 리드프레임 deflashing은 그라인딩 방법을 사용합니다. 패키지 바닥 면은 그라인딩 후 10㎛ 두께의 솔더를 도금합니다. 하이닉스 BLP 패키지의 칩/패키지 면적 비는 57%로서 CSP 정의인 80%에 미치지 못하지만 TSOP 패키지에 비해 현저히 작고 개선된 특성을 갖고 있음으로 CSP로 분류합니다.

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