KR100277121B1 - 복수의 회로기판을 물리적 및 전기적으로 결합시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 회로기판을 물리적 및 전기적으로 결합시키기 위한 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것으로, 이를 위해 본 발명은 금속간의 젖음성의 차이를 이용하여 공납 형성이 용이한 공납 제조용 금속판 상에 공납을 형성한 후 패키지 기판의 패드로 전이 부착하는 방법이다. 특히 공납 제조용 금속판에 공납의 크기 및 위치에 관계없이 홈을 파고 납을 채운후 고온에서 공납을 제조하는 방법을 사용함으로써 공납을 홈의 크기 조절을 통해 다양한 크기의 공납의 제조가 가능하며 작은 크기의 공납도 정확하게 정렬할 수 있다. 또한 공납 제조용 금속판을 직접 가열하여 공납을 전이 및 부착시키는 방법을 사용하므로써 공납과 기판을 동시에 가열하는 종래기술에 비해 열전이 온도가 낮은 기판에서도 기판의 변형이 작아 높은 신뢰성을 갖는다.

Description

복수의 회로기판을 물리적 및 전기적으로 결합시키기 위한 장치 및 방법

본 발명은 둘 또는 그 이상의 복수의 회로기판을 물리적 및 전기적으로 결합시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 BGA(Ball grid array), Micro BGA, 플립 칩(Flip Chip)등 공납을 이용하여 부품을 지지하거나 전기적 신호를 제공하는 전자 패키징 공정을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 공납을 형성하는 방법에는 납 증기를 이용하는 증기 증착법, 납 페이스트를 이용한 프린팅방법, 이미 형성된 공납을 진공장치를 이용하여 공납을 정렬 부착하는 방법 및 임시기판을 이용하는 공납 전이법 등이 있다.

그런데, 증기 증착법은 높은 정렬도를 갖는 미세 공납 형성이 가능하지만 공정에 많은 비용이 소요되어 제작 단가가 비싸고, 프린팅 방법은 공납의 크기에 따른 금속 마스크를 제작하는데 어려움이 있으며, 이미 형성된 공납을 진공장치 또는 접착제를 사용하여 정렬 부착시키는 방법은 고온 공정이 필요할 뿐만 아니라 크기가 작은 공납인 경우 공납 정렬이 어렵고 장비가 고가인 단점이 있다. 그리고, 기존의 공납 전이방법은 평평한 금속 기판에 전기도금 및 프린팅 방법을 이용해 공납을 형성하고 이 형성된 공납을 패키지 기판으로 전이하는 방법으로서, 평평한 기판에 공납을 제작하여야 하므로 공납의 크기 조절이 매우 어렵고, 공납과 금속기판 사이의 접착력이 작아 후속공정시 공납이 상기 금속기판에서 이탈된다는 단점이 있으며, 공납과 패키지 기판을 동시에 가열하는 방법을 사용하고 있어 열전이 온도가 낮은 패키지 기판일 경우 이 패키지 기판이 크게 변형되는 단점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 작은 크기의 공납도 정확하게 정렬할 수 있고 공납 형성 및 외부 패키지 기판으로의 전이를 용이하게 실시할 수 있는 장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 예컨대 패키지 기판을 회로 기판에 실장시키는 것과 같이, 두 기판을 공납을 사용하여 부착시킬 경우, 즉 공납에 의해서 물리적, 전기적으로 연결되는 전자부품을 제조할 경우 두 회로기판을 저렴한 비용 및 정확한 정렬도로 부착할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 공납제조장치를 도시한 사시도.

도 1b는 도 1a의 A-A' 단면도.

도 2a 및 도 2b는 상기 공납제조장치를 제작하는 방법을 나타내는 개략도.

도 3a 및 도 3b는 상기 공납제조장치의 홈에 납을 채우는 방법을 보여주는 개략도.

도 4는 비젖음성 금속 재질의 기판과 젖음성 금속 재질의 기판에서 각각 납이 기판과 접촉되는 정도를 나타내는 개략도.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따라 패키지 기판에 공납을 전이시키는 방법과 공납이 전이된 패키지 기판을 회로기판에 부착시키는 방법을 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

101 : 금속판 102 : 홈

103 : 정렬핀 104 : 정렬키

300 : 공납 501 : 패키지 기판

502 : 금속패드 503 : 반도체 칩

504 : 압력

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다수의 회로기판을 물리적 및 전기적으로 결합시키기 위한 장치에 있어서, 그 표면에 납을 수납하기 위한 다수의 홈을 가지며 어느한 회로기판에 구비된 패드에 비해 젖음성이 낮은 재질로 이루어진 금속판; 상기 홈에 수납된 납을 공납으로 형성하며 상기 패드에 상기 공납을 전이시키기 위하여 상기 금속판을 가열하는 가열수단; 및 상기 어느한 회로기판의 상기 패드와 상기 금속판의 상기 홈을 정렬시키기 위한 정렬수단을 포함하여 이루어진다.

또한 본 발명은, 다수의 회로기판을 물리적 및 전기적으로 결합시키기 위한 방법에 있어서, 그 표면에 납을 수납하기 위한 다수의 홈을 가지며 어느한 회로기판에 구비된 패드에 비해 젖음성이 낮은 재질로 이루어진 금속판을 준비하는 단계; 상기 금속판의 상기 홈내에 납을 채우는 단계; 상기 어느한 회로기판과 상기 금속판을 서로 정렬시키는 단계; 상기 금속판을 가열하여 상기 납을 공납으로 형성하고 상기 어느한 회로기판을 가압하여 상기 공납의 일측을 상기 패드에 전이 및 부착시키는 단계; 및 상기 어느한 회로기판에 부착된 공납의 타측을 다른 회로기판에 구비된 패드에 부착시키는 단계를 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명은 금속패드를 구비한 회로기판에 공납을 부착시키기 위한 방법에 있어서, 그 표면에 납을 수납하기 위한 다수의 홈을 가지며 상기 금속패드에 비해 젖음성이 낮은 재질로 이루어진 금속판을 준비하는 단계; 상기 금속판의 상기 홈내에 납을 채우는 단계; 상기 어느한 회로기판과 상기 금속판을 서로 정렬시키는 단계; 및 상기 금속판을 가열하여 상기 납을 공납으로 형성하고 상기 어느한 회로기판을 가압하므로써 상기 금속패드와 상기 금속판의 젖음성 차이로 인하여 상기 공납의 일측이 상기 패드에 전이 및 부착되도록 하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 공납 제조 장치를 도시한 사시도이고, 도 1b는 도 1a의 A-A' 단면도로서, 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 공납 제조 장치는 예컨대 알루미늄, 스테인레스, 크롬, 티타늄, 니켈-크롬 합금, 니켈-구리 합금 등과 같이 젖음성이 낮은 금속판(101)에 공납 형성을 위해 어레이된 다수의 홈(102, Trench)이 형성되어 있다. 이 홈(102)은 도 1b에 도시된 바와 같이 그 바닥면이 라운드진 홈(102c) 또는 뾰족한 홈(102b)이 될 수 있으며 또한 정사각형 또는 다각형의 홈(102a)가 될 수도 있다. 상기 금속판(101)의 두 모서리에는 패키지 기판과의 정렬을 위해 정렬용 핀(103)이 형성되어 있으며, 상기 금속판(101)이 상기 패키지 기판과 직접적으로 부착되지 않도록 하고 상기 금속판(101)이 상기 패키지 기판과 탈착이 용이하도록 상기 핀(103)에는 스프링(104)이 감겨 있다. 상기 금속판(102)의 다른 두 모서리에는 정렬키(alignment key)(105)가 형성되어 있는데, 이 정렬키(105)는 상기 패키지 기판이 너무 작아 정렬 핀(103)을 사용할 수 없을 경우 패키지 기판과 금속판 간을 정렬시키기 위하여 사용되어 진다.

도 2a 및 도 2b는 상기 공납 제조 장치를 제작하는 방법을 나타내는 개략도이다. 도 2a는 드릴팁(201)을 사용하여 금속판(101)에 홈(102)을 형성 방법을 보여주는데, 드릴팁(201)의 지름과 모양 등에 의해 홈(102)의 형상은 결정되므로 사용자가 원하는 대량의 공납 제조 장치의 제조가 가능하다. 도 2b는 실리콘 집적회로 제작 기술에서 주로 이용되고 있는 리소그라피 기술을 사용하여 금속판(101)에 홈(102)을 형성하는 방법을 나타내는 것으로, 금속판(101)에 레지스트(202)를 도포하고 노광 및 현상하여 레지스트(202) 패턴을 형성한 다음 이를 마스크로하여 금속판(101)을 일부두께 식각하는 방법이다. 구체적인 식각 방법은 건식 또는 습식식각이 모두 가능하며 금속판의 재질에 따라 에천트(etchant)는 결정될 것이다.

도 3a 및 도 3b는 금속판(101)에 납을 채우는 방법을 보여주는 개략도이다. 도 3a는 납 페이스트(301)를 스퀴즈(302)를 사용하여 홈(103)에 채우는 방법을 나타낸다. 도 3b는 금속판9101)의 홈(103)과 동일하게 정렬된 구멍(351)이 뚫린 공납 정렬용 금속마스크(350)를 사용하는 방법을 나타내는 것으로, 이때 정렬된 공납(300)은 금속판(101)과의 접촉 면적이 커 금속판(101)에서 공납(300)이 이탈될 가능성이 매우 작다.

도 4는 비젖음성 금속 재질의 기판(401)과 젖음성 금속 재질의 기판(402)에서 각각 납(300)이 기판과 접촉되는 정도를 나타내는 개략도로서, 젖음성 금속 재질의 기판(402)에서보다 비젖음성 금속 재질의 기판(401)에서 납(300)의 접촉각(θ) 크기가 적음을 보여준다. 이는 본 발명의 공납 제조용 금속판(101)을 젖음성 금속 재질을 사용할 경우 패키지 기판으로의 공납 전이가 용이하다는 것을 의미하는 것으로, 이는 이후의 설명에서 구체적으로 언급될 것이다. 비젖음성 금속은 알루미늄, 스테인레스, 크롬, 티타늄, 니켈-크롬 합금, 니켈-구리 합금 등을 예로들수 있고, 젖음성 금속은 은, 백금, 니켈, 구리 등을 예로들수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 공납 제조 장치를 사용하여 패키지 기판을 회로 기판에 실장시키는 본 발명의 일실시예를 구체적으로 설명한다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일실시예에 따라 패키지 기판에 공납을 전이시키는 방법과 공납이 전이된 패키지 기판을 회로기판에 부착시키는 방법을 나타낸다. 먼저, 도 5a 및 도 5b는 패키지 기판에 공납을 전이시키는 방법을 보여주고 있다.

도 5a를 참조하면, 먼저 앞서 설명한 바와 같은 공납 제조 장치의 홈(102)에 납을 채운 후 금속판(101)을 가열하여 납을 용융시키고 납의 표면장력을 이용하여 공모양의 공납(300)을 형성한다. 이때 금속판(101)의 홈(102)안에서 공납(300)이 제조되므로 크기가 균일하고 젖음성이 낮은 금속판(101)에서도 정확한 정렬이 가능하며 금속판(101)과 공납(300)의 접촉면이 평면인 경우보다 넓어 좀더 견고한 부착력을 얻을 수 있다.

이어서, 공납 제조 장치의 정렬용 핀(103)을 BGA 패키지 회로 기판(501)의 가장자리에 끼워 장착한다. 패키지 기판(501)의 뒷면에는 전기적 및 물리적으로 접속될 다수의 금속패드(502)가 정렬되어 있으며, 전면에는 반도체 칩(503)이 패키징되어 있다. 금속패드(502)는 예컨대 금 또는 구리와 같이 젖음성이 큰 금속물질로 이루어진다. 공납 제조 장치와 패키지 기판이 서로 결합되었을 경우 공납제조장치의 홈(103)과 패키지 기판의 금속패드(502)는 상/하 정렬되게 된다.

계속해서, 금속판(101)을 가열하여 공납(300)을 용융시킨후 적당한 압력(504)을 통해 공납(300)과 패키지 기판의 금속패드(502)를 접촉시키면 금속판(101)과 금속패드(502)간의 젖음성의 차이로 인하여 공납(300)이 금속패드(502)에 전이 부착된다.

이와 같이 본 발명은 금속판을 가열하여 공납을 용융시킨 다음 젖음성 차이를 이용하여 공납을 패키지 기판의 패드에 전이시키는 방법을 사용하는 것으로, 공납과 패키지 기판을 동시에 가열하는 종래방법에 비해 열전이 온도가 낮은 기판에서도 패키지 기판의 변형이 작아 높은 신뢰성을 갖는다. 즉, 일반적으로 BGA 임기기판의 유리전이온도는 180℃ 내외이고 납 용융온도 183℃ 이상이여서 공납과 기판을 동시에 가열할 시 기판이 변형될 수 있는데, 본 발명은 임시기판만을 가열하는 방법이기 때문에 기판의 변형을 줄일 수 있다.

도 5b는 스프링(104)의 힘에 의해 금속판(101)과 공납(300)이 분리되고, 패키지 패드(502)상에 공납이 부착되어 있는 모습을 보여준다.

도 5c는 도 5a 및 도 5b와 같이 공납(300)을 전이받은 BAG 패키지 또는 반도체 칩을 다른 회로기판(601)에 부착시킨 상태를 나타낸다.

한편, 공납과 접속되는 패키지 패드, 반도체 칩의 패드 및 회로기판의 패드는 알루미늄(501a, 602a)과 같이 젖음성이 적은 금속으로 만들어질 수 있는데, 이럴 때는 공납과의 젖음성을 크게하기 위하여 알루미늄 표면에 확산방지층 및 접착층 역할을 하는 베리어 메탈(barrier metal)(502b, 602b)을 형성하고 그 표면에 금(503c, 603c)과 같은 젖음성 금속을 추가로 형성한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 공납제조장치는 젖음성이 낮은 금속판을 사용하여 공납 제조용 금속판을 제작한다. 제작된 금속판은 패키지 정렬을 위한 정렬 키 패턴과 정렬용 핀을 부착하여 패키지와 기판의 정렬의 정확성을 향상시켰고 핀에 스프링을 첨가하여 공납제조용 금속판과 패키지 금속판의 직접적인 접촉을 방지하였다. 또한 공납 전이시 스프링의 힘에 의해 금속판과 공납이 분리되게 하였다.

따라서 본 발명은 패키지 기판과는 별개의 공납 제조용 금속판을 사용하여 공납을 형성하므로써 고온 공정에서 패키지 기판에의 영향을 최소화하였고, 금속 기판에 홈을 형성하여 홈의 크기에 맞는 공납을 형성할 수 있으므로 다양한 크기의 공납을 형성할 수 있는 방법이다. 특히 공납 형성을 위해 기존의 드릴팁의 크기와 깊이 조절을 통해 저렴하고 간편한 방법으로 공납의 크기를 조절할 수 있다. 또한 홈을 이용하여 공납을 정렬함으로 인접하는 공납간의 단락될 가능성을 축소하여 높은 정렬도 및 크기의 균일성을 갖는 공납을 쉽고 간편하게 형성 부착시킬 수 있는 방법이며, 공납 형성 및 전이를 하나의 금속판으로 동시에 실시할 수 있다.

그리고, 앞서 설명한 바와 같이, 홈안에 납을 채우는 방법으로는 납 페이스트를 이용한 프린팅 방법이나 납 전기도금 방법, 이미 형성된 공납을 구멍이 형성된 공납 정렬용 금속 마스크를 이용할 수 있으며 특히 전기도금 방법을 이용할 시 평면보다 홈이 패힌 내측면의 표면적이 커 도금 효율이 커지고, 공납의 크기가 홈의 크기로 조절할 수 있으므로 후막 감광막이 불필요하다.

본 실시예에서는 패키지를 외부회로에 부착(실장)하는 것을 일예로써 설명한 것으로, 본 발명은 두 회로기판을 물리적 및 전기적으로 접속해야 하는 모든 제품에 적용가능 하다. 이렇듯, 본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 홈이 파인 공납 제조용 금속판만을 이용하여 다양한 크기 및 형태를 갖는 공납을 정확한 정렬도로 패드에 전이 및 부착할 수 있어 개개의 패키지 기판의 수리 및 대량 생산에도 용이하게 적용할 수 있다.

또한, 본 발명은 금속판을 가열하여 공납을 용융시킨 다음 젖음성 차이를 이용하여 공납을 패키지 기판의 패드에 전이시키는 방법을 사용하는 것으로, 공납과 패키지 기판을 동시에 가열하는 종래방법에 비해 열전이 온도가 낮은 기판에서도 패키지 기판의 변형이 작아 높은 신뢰성을 갖는다.

Claims (10)

1. 다수의 회로기판을 물리적 및 전기적으로 결합시키기 위한 장치에 있어서,

   그 표면에 납을 수납하기 위한 다수의 홈을 가지며 어느한 회로기판에 구비된 패드에 비해 젖음성이 낮은 재질로 이루어진 금속판;

   상기 홈에 수납된 납을 공납으로 형성하며 상기 패드에 상기 공납을 전이시키기 위하여 상기 금속판을 가열하는 가열수단; 및

   상기 어느한 회로기판의 상기 패드와 상기 금속판의 상기 홈을 정렬시키기 위한 정렬수단

   을 포함하여 이루어진 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 정렬수단은,

   상기 패드와 상기 홈을 정렬시켜 상기 어느한 회로기판과 상기 금속판을 결합시키되, 상기 어느한 회로기판과 상기 금속판이 직접적으로 접촉되는 것을 방지하는 완충수단을 포함하는 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 금속판의 재질은 알루미늄, 스테인레스, 크롬, 티타늄, 니켈-크롬 합금 및 니켈-구리 합금중 어느한 금속 또는 이들의 조합으로 이루어진 합금인 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 홈은 그 바닥면이 라운드지거나 뾰족하거나 평탄한 장치.
5. 다수의 회로기판을 물리적 및 전기적으로 결합시키기 위한 방법에 있어서,

   그 표면에 납을 수납하기 위한 다수의 홈을 가지며 어느한 회로기판에 구비된 패드에 비해 젖음성이 낮은 재질로 이루어진 금속판을 준비하는 단계;

   상기 금속판의 상기 홈내에 납을 채우는 단계;

   상기 어느한 회로기판과 상기 금속판을 서로 정렬시키는 단계;

   상기 금속판을 가열하여 상기 납을 공납으로 형성하고 상기 어느한 회로기판을 가압하여 상기 공납의 일측을 상기 패드에 전이 및 부착시키는 단계; 및

   상기 어느한 회로기판에 부착된 공납의 타측을 다른 회로기판에 구비된 패드에 부착시키는 단계

   를 포함하여 이루어진 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 홈이 형성된 상기 금속판을 준비하는 단계는,

   상기 금속판의 표면에 드릴팁을 사용하여 상기 홈을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
7. 제5항에 있어서,

   상기 홈이 형성된 상기 금속판을 준비하는 단계는,

   상기 금속판의 표면을 리소그라피 공정에 의해 선택적으로 에칭하여 상기 홈을 형성하는 단계를 포함하는 방법.
8. 제5항에 있어서,

   상기 금속판의 상기 홈내에 납을 채우는 단계는,

   상기 홈이 형성된 상기 금속판 표면에 납 페이스트를 얹고 스퀴즈를 사용하여 상기 납 페이스트를 이동시키는 단계를 포함하는 방법.
9. 제5항에 있어서,

   상기 금속판의 상기 홈내에 납을 채우는 단계는 구멍이 뚫린 정렬용 마스크를 사용하는 실시하는 방법.
10. 금속패드를 구비한 회로기판의 상기 금속패드에 공납을 부착시키기 위한 방법에 있어서,

    그 표면에 납을 수납하기 위한 다수의 홈을 가지며 상기 금속패드에 비해 젖음성이 낮은 재질로 이루어진 금속판을 준비하는 단계;

    상기 금속판의 상기 홈내에 납을 채우는 단계;

    상기 회로기판의 상기 금속패드와 상기 금속판의 상기 홈을 서로 정렬시키는 단계; 및

    상기 금속판을 가열하여 상기 납을 공납으로 형성하고 상기 회로기판을 가압하므로써 상기 금속패드와 상기 금속판의 젖음성 차이로 인하여 상기 공납이 상기 금속패드에 전이 및 부착되도록 하는 단계

    를 포함하여 이루어진 방법.