KR100411144B1 - 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자패키지 분야 중 솔더 범프를 이용한 플립칩 패키지 분야에서 구형의 무플럭스 솔더 범프(solder bump) 형성 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의한 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법은, 실리콘 칩에 전해도금을 위한 씨앗층으로 Cr/Cu 박막을 증착시키는 단계(a); 상기 실리콘 칩에 후막 포토레지스트를 이용하여 UBM 패턴을 형성하고, 전해도금법을 이용하여 UBM을 전착시킨 후, 포토레지스트와 도금 씨앗층을 제거하여 UBM을 형성시키는 단계(b);상기 단계(b)에서 제조된 UBM 위에 솔더 범프를 도포하는 단계(c); 및 상기 단계(c)의 솔더 범프를 아르곤-수소 플라즈마에 의하여 리플로우시켜 구형의 솔더 범프를 형성시키는 단계(d)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 아르곤-수소 플라즈마는 솔더 범프 표면의 산화막을 식각함과 동시에 열을 솔더 범프로 공급하여 솔더 범프를 용융시켜 구형의 솔더 범프로 리플로우시키는 역할을 한다.
Description
본 발명은 전자패키지 분야 중 솔더 범프를 이용한 플립칩 패키지 분야에서구형의 무플럭스 솔더 범프(solder bump) 형성 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법에 관한 것이다.
반도체 칩 등의 첨단 칩이 고속화, 고집적화, 소형화됨에 따라 시스템 성능의 향상을 위해 칩을 기판에 연결하는 방법의 기술 향상이 요구되고 있는데, 이러한 첨단 칩 연결 기술로 플립칩을 이용하는 기술이 점점 많이 사용되고 있다.
솔더 범프 플립칩 패키지는 소자가 형성된 칩의 전면에 직경 200㎛ 이하의 미세한 솔더 범프를 형성하고 범프가 형성된 칩을 뒤집어 기판에 실장하는 기술이다. 즉, 플립칩 기술은 솔더 범프를 이용하여 칩의 패드와 기판을 서로 마주보는 상태로 접속하는 방법으로, 칩의 패키징 밀도가 높고, 짧은 상호 배선 연결로 인하여 전기적 특성이 우수하고, 솔더 접합부의 신뢰도가 높다고 알려져 있다.
플립칩 패키지에서 소자의 입출력 패드로는 알루미늄을 일반적으로 사용한다. 그러나, 알루미늄은 솔더 범프와의 젖음성이 나쁘기 때문에 젖음성을 확보하기 위하여 알루미늄 패드 위에 UBM(Under Bump Metallurgy)이라고 하는 금속층을 증착한다.
UBM 패드 위에 일정량의 솔더 범프를 도포하는 방법으로 솔더 범프를 열증착하는 방법, 전해도금으로 전착하는 방법, 스텐실 프린팅으로 도포하는 방법, 스터드 와이어 범핑 방법, 레이저 볼 접합을 이용하는 방법 등이 있다. 이 중 어떠한 솔더 범프 도포 방법을 사용하더라도 솔더 범프의 도포 후에 솔더 범프를 용융시켜 구형의 솔더 범프를 형성하는 공정을 거치는데, 이를 리플로우 공정이라고 한다.이러한 리플로우 공정을 거치는 이유는 솔더 범프의 조성과 높이를 균일하게 하고 솔더 범프와 UBM층의 접합 강도를 증가시키기 위해서이다.
기존의 리플로우 방법은 플럭스라 불리는 융재를 솔더 범프에 도포하고 열을 가하여 솔더 범프를 용융시키는 방법이다. 플럭스는 송진이 주성분이고 염소, 불소, 브롬 등의 할로겐 활성제가 소량 들어 있는 것으로 납땜시에 대상물의 오염물이나 표면의 산화막을 제거해주기 위한 청정제이다. 플럭스는 리플로우시 솔더 범프의 표면을 둘러싸고 있는 산화막을 제거함과 동시에 솔더 범프의 재산화를 방지하고 용융된 솔더 범프가 표면장력에 의하여 구형이 되도록 도와주는 중요한 역할을 한다.
그러나, 플럭스를 사용하고 나면 범프 주변에 플럭스의 잔류물이 남게 되고, 이 잔류물은 부식성이 있으므로 반드시 세정되어야 한다. 세정이 적절히 이루어지지 않으면 잔류 플럭스가 회로를 부식시켜 오작동을 일으킬 뿐만 아니라, 패키지의 장기적인 신뢰성에 악영향을 미친다.
또한, 플럭스 잔류물은 일반적으로 용매를 사용하여 세정이 이루어지는데, 세정제에 함유되어 있는 휘발성 유기 화합물은 오존층을 파괴하고 지구온난화를 발생시키는 등 대기 오염의 원인이 된다. 따라서, 몬트리올 협약(1992년)등에서 보는 바와 같이 국제적으로 플럭스 세정용매에 대한 사용규제가 가속화되고 있다. 뿐만 아니라, 기술 발전에 따라 플립칩용 솔더 범프의 크기가 미세해지고, 범프의 간격이 좁아질수록 잔류 플럭스의 적절한 세정이 불가능해지게 되므로, 플럭스를 사용하지 않고 솔더 범프를 리플로우하는 무플럭스 범핑 기술의 개발이 필요하다.
종래의 무플럭스 범핑 기술은 카르복시산 증기를 사용하는 방법과 플라즈마를 사용하는 방법으로 나눌 수 있다. 카르복시산을 사용하는 방법은 리플로우시 포름산이나 아세트산과 같은 카르복시산 함유 기체를 흘려주어 솔더 범프 표면의 산화막을 환원시키는 방법이다. 그러나, 이러한 방법은 공정 중에 발생하는 다량의 카르복시산 함유 폐가스를 처리해주어야 하는 문제점이 있다.
플라즈마를 사용하는 방법으로 일본공개공보 특개평5-500026호는 불소 함유 플라즈마에 의한 솔더 범프 표면의 불화처리에 의하여, 솔더 범프 리플로우 시에 용융 솔더 범프의 젖음을 방지하는 산화막을 불화산화막으로 변환시키는 방법을 설명하고 있다. 그러나, 공정에 사용되는 육불화수소는 환경적으로 유해한 기체이며, 불소 플라즈마는 규소 및 패시베이션막을 부식시킨다. 또한, 반응 생성물인 사불화규소는 종종 솔더 범프와 반응하거나 솔더 범프를 손상시키고, 잔류 불소는 그 정도에 따라 패키지의 신뢰성에 크게 영향을 미친다.
대한민국 특허출원 공개번호 제2000-778호는 100% 수소 플라즈마를 사용하여 인듐 범프를 리플로우하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 수소는 폭발의 위험이 큰 물질이므로 100% 수소 플라즈마를 사용함으로써 발생할 수 있는 사고의 위험을 감수해야 하는 문제점이 있다.
대한민국 특허출원 공개번호 제2001-32162호는 수소를 3~8% 함유한 혼합 기체로 플라즈마를 발생시켜 솔더 범프 표면의 산화막을 식각한 후에 장비에 장착된 할로겐 램프를 사용하여 솔더 범프를 가열하여 리플로우하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이 방법은 산화막의 제거와 솔더 범프의 가열을 분리하는 방법으로서리플로우를 위하여 할로겐 램프라는 추가적인 열원을 필요로 하는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 솔더 범프를 리플로우하는데 있어서 플럭스를 사용하지 않고 환경 친화적인 플라즈마 기체를 사용함으로써, 공정상의 위험을 최소화하고, 리플로우를 위한 추가적인 열원을 요구하지 않는 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법의 제공을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법에 의한 구형의 솔더 범프 형성법의 공정도,
도 2는 피치간격 250㎛, 직경 100㎛의 솔더 범프 제작 공정의 각 단계,
도 3은 본 발명에 따른 일실시예 및 비교예를 비롯한 여러 가지 조건에서 리플로우된 Sn-3.5중량%Ag 구형의 솔더 범프의 전면과 측면모습,
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 및 열판 리플로우 시간에 따른 Sn-3.5중량%Ag 솔더 범프의 Cu/Ni UBM에 대한 접합강도,
도 5는 본 발명에 따라 100W의 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 리플로우 과정에서 Sn-3.5중량%Ag 솔더 범프의 자기정렬 과정,
도 6은 본 발명에 따른 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법의 메카니즘을 도시한 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법은, 실리콘 칩에 전해도금을 위한 씨앗층으로 Cr/Cu 박막을 증착시키는 단계(a); 상기 실리콘 칩에 후막 포토레지스트를 이용하여 UBM 패턴을 형성하고, 전해도금법을 이용하여 UBM을 전착시킨 후, 포토레지스트와 도금 씨앗층을 제거하여 UBM을 형성시키는 단계(b);상기 단계(b)에서 제조된 UBM 위에 솔더 범프를 도포하는 단계(c); 및 상기 단계(c)의 솔더 범프를 아르곤-수소 플라즈마에 의하여 리플로우시켜 구형의 솔더 범프를 형성시키는 단계(d)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법에 있어서, 상기 단계(b)의 UBM은 Cu/Ni이고, 상기 단계(c)의 솔더 범프를 도포하는 방법은 열증착법, 전해도금법, 스텐실 프린팅, 스터드 와이어 범핑 방법, 또는 레이저 볼 접합 방법 가운데 선택될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법에 있어서, 상기 단계(d)의 플라즈마 리플로우 공정은 아르곤과 5~30% 수소 혼합 기체를 사용하여, 50~400mtorr의 체임버 압력, 50~300W 범위의 플라즈마 출력, 5~300초의 처리시간 조건하에서 행하여지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법에 있어서, 상기 솔더 범프는 아르곤-수소 플라즈마 리플로우 공정에 의하여 자기정렬되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 기존에 사용되는 플럭스 대신 플라즈마를 사용하여 솔더 범프를 리플로우하여 범프를 구형으로 함과 동시에 UBM과의 강도를 확보한다. 즉, 아르곤-수소 플라즈마를 이용하여 아르곤 이온의 충돌에 의하여 솔더 범프와 UBM 표면의 산화막을 제거하고, 수소 플라즈마로 환원성 분위기를 조성하여 솔더 범프의 재산화를 방지하며, 플라즈마에서 발생하는 열로 솔더 범프를 용융시켜 리플로우시켰다.
이하, 실시예 및 실험예를 들어 본 발명의 구성 및 발명효과를 보다 상세하게 설명한다. 아래의 실시예 및 실험예는 본 발명의 내용을 설명하나, 본 발명의 내용이 여기에 한정되지는 않는다.
<실시예 1>
UBM 패턴의 제조공정은 도 1에 나타내었다.
먼저 전해도금을 위한 씨앗층으로 Cr/Cu 박막을 실리콘 칩 위에 증착하였다. 씨앗층 위에 9㎛ 두께의 양성 후막 포토레지스트(PR)를 도포한 후 사진식각 공정을거쳐 100㎛ 직경의 원형 UBM 패턴을 도면 2(a)와 같이 형성하였다. 형성된 PR 패턴을 몰드로 하여 도면 2(b)와 같이 Cu와 Ni을 10mA/㎠ 전류밀도 조건에서 각각 4㎛의 두께로 연속적으로 도금하였다. 도금 후 PR과 씨앗층을 제거하여 도 2(c)와 같이 직경 100㎛의 Cu/Ni UBM을 형성하였다.
도 2(c)와 같이 제조된 UBM 패턴 위에 레이저 솔더 범프 볼 범핑법을 사용하여 100㎛ 직경의 Sn-3.5중량%Ag 솔더 범프 볼을 접합시켰다. 직경 125㎛의 구멍이 있는 캐필러리로 볼을 고정한 후에 1064㎚ 파장의 Nd:YAG 레이저를 65A의 전류와 3ms 레이저 펄스 폭 조건에서 순간적으로 볼에 조사하여 UBM에 접합시켰다. 솔더 범프 볼 접합 후 전단 강도는 약 3~6g-force 였다.
초기 접합된 솔더 범프 볼을 리플로우하기 위하여 플라즈마 리플로우 공정을 행하였다. 플라즈마 기체로서 아르곤에 10~20%의 수소를 혼합하여 체임버에 공급하였으며 플라즈마가 생성되는 동안 체임버의 압력을 250~270torr로 유지하였다. RF 플라즈마 장비를 사용하였으며, 플라즈마의 출력을 100w와 200w로 하여 120초 동안까지 리플로우를 행하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 1에 따라 플라즈마 리플로우를 거친 솔더 범프와의 외관 및 접합 강도를 비교하기 위하여, 초기 접합된 Sn-Ag 솔더 범프 볼에 휘발성 유기 물질(VOC) 불포함 플럭스를 도포한 후에 250℃로 유지된 열판에서 50초까지 리플로우하여 범프를 제조하였다.
실시예 1 및 비교예 1의 리플로우된 범프의 형상과 전단 시험 후의 파단면은SEM으로 관찰하여 비교하였다.
도 3(a)은 레이저 볼 범핑 후 Sn-3.5Ag 솔더 범프의 외관이고, 도 3(b)는 플럭스를 도포하지 않고, 250℃의 열판 위, 대기 분위기 하에서 60초 동안 유지된 범프의 모습이며, 도 3(c)는 플럭스를 도포하고, 250℃의 열판 위, 대기 분위기 하에서 60초 동안 리플로우한 범프의 외관이다.
도 3(a)에서 65A, 3ms 조건에서 레이저 볼 접합한 범프는 레이저의 급격한 국부적 조사에 의하여 UBM과 국부적으로 젖음이 이루어져 강도가 약할 것으로 판단된다. 도 3(a)에서 보는 바와 같이, 상부에 급격한 냉각에 의한 함몰이 발생하였는데, 이러한 함몰은 그대로 놓아 두면 플립칩 접합시에 기체가 개제되어 기공의 생성원인이 될 가능성이 있다. 이러한 함몰은 레이저의 전류를 높이거나, 펄스 폭을 늘리면 사라진다. 그러나, 이 때 전류를 75A 이상 늘릴 경우 솔더 범프 볼이 캐필러리에 녹아 붙어 구멍이 막히거나, 캐필러리의 수명을 감소시키는 문제점이 있다. 따라서, 낮은 전류에서 초기 접합을 한 후에 리플로우를 통하여 함몰을 제거하고 범프와 UBM간의 접합 강도를 증가시킬 필요가 있다.
도 3(b)는 플럭스 없이 대기중에서 (a)의 범프를 250℃의 열판에서 60초 동안 유지한 범프의 모습을 나타낸다. 비록 용융에 의한 솔더 범프의 부피 팽창으로 인하여 범프 상부의 함몰이 없어졌지만, 솔더 범프 표면의 산화막이 마치 물을 담고 있는 비닐봉지와 같이 용융된 솔더 범프를 가두고 있어서 UBM과의 젖음이 발생하지 않는다. 따라서, 범프의 접합강도는 증가하지 않는다.
도 3(c)는 플럭스를 범프에 도포하고 250℃의 열판 위에 60초 동안 리플로우한 범프의 모습이다. 예상대로, 범프의 산화막이 플럭스에 의하여 제거되고 솔더 범프가 정형(reshape)되어 함몰도 사라졌다. 또한, UBM과의 젖음도 적절히 이루어져서 범프의 접합 강도도 증가했으리라고 판단된다. 그러나, 도면에서 잔류 플럭스가 범프 주변에 존재함을 관찰할 수 있다. 이러한 잔류 플럭스는 적절한 세척이 이루어지지 않으면 이후에 언더필(underfill) 재료에 악영향을 주어 패키지의 신뢰성을 악화시킬 우려가 있다. 또한, 광전자소자의 경우는 빛을 편향시키는 경우도 있다. 따라서, 범프의 피치가 미세해질수록 무플럭스 리플로우 공정에 대한 요구는 증가할 것이다.
도 3(d)는 100W의 아르곤-수소 플라즈마에서 60초 동안 리플로우하여 범핑된 직경 100㎛ Sn-3.5Ag 솔더 범프의 외관사진을 나타낸다. 도 3(d)에서 보는 바와 같이, 범프가 정형되어 함몰이 사라지고, 범프와 패드의 젖음도 이상적으로 이루어졌음을 관찰할 수 있다. 따라서, 아르곤-수소 플라즈마를 통하여 솔더 범프의 무플럭스 리플로우가 가능함을 알 수 있다.
<실험 1: 접합 강도>
플라즈마(실시예 1) 혹은 플럭스(비교예 1)를 통하여 제조된 범프의 접합 강도를 시험하기 위하여 범프 전단 시험을 행하였다. 이때 전단 도구의 높이는 UBM 보다 5㎛ 더 높은 위치에 두었고, 200㎛/s의 속도로 범프를 밀어 전단도구에 걸리는 최대하중을 측정하였다.
도 4는 100W와 200W의 출력 조건에서 리플로우 시간에 따른 범프 전단 강도의 변화를 보여준다. 출력 조건 100W에서 리플로우된 솔더 범프는 20초에는 강도가초기 강도보다 증가하지 않았지만, 30초부터 급격하게 증가하여 100초에서 최대 85g-force의 강도를 가지며 그 이후로는 감소함을 관찰할 수 있다. 출력 조건 200W에서 리플로우된 솔더 범프의 경우는 10초부터 강도가 증가하여 40초에서 최대가 되고 이후에는 감소한다. 플럭스를 도포하고 250℃ 열판에서 리플로우한 범프의 전단강도 값도 같이 도시하였다. 이 경우의 범프 강도는 실험범위인 120초까지 60~80g-force의 강도를 꾸준히 유지하였다. 도 4에서 보는 바와 같이, 플라즈마에 의하여 리플로우된 범프의 전단 강도는 기존의 플럭스를 사용하여 리플로우한 경우보다 우수함을 알 수 있다.
도 5(a)는 65A, 3ms 조건에서 레이저 볼 접합된 범프를 나타내고, 5(b), 5(c), 및 5(d)는 100W 출력의 아르곤-수소 플라즈마에서 각각 40, 60, 120초 리플로우된 Sn-Ag 범프를 위에서 본 모습을 나타낸다. 플라즈마 리플로우에 의하여 약 30㎛ 정도 벗어난 범프가 40초에서 정형되는 모습을 관찰할 수 있으며, 60초에서 UBM 패드에 자기정렬됨을 관찰할 수 있다. 따라서, 솔더 범프의 도포시 UBM 패드 위에 어느 정도 어긋나게 도포되어도 플라즈마 리플로우의 자기정렬에 의하여 UBM 패드상에 정확하게 구형의 솔더 범프를 형성시킬 수 있다.
도 6에서 아르곤-수소 플라즈마에 의한 범프 리플로우 과정에 대한 메카니즘을 설명하였다. 레이저 볼 범핑된 상태(a)는 UBM과 솔더 범프가 국부적으로 접합이 발생한 상태이며 상부에 함몰이 생성된 채로 솔더 범프와 UBM이 산화막으로 둘러 쌓여 있다. 이러한 상태의 범프가 플라즈마에 의하여 리플로우 되면 아르곤 이온의 충돌에 의하여 솔더 범프 표면과 UBM의 산화막이 깨져 제거된다. 또한, 이온들의충돌 에너지가 열에너지로 전환되어 솔더 범프가 가열되어 솔더 범프가 용융되고 수소 플라즈마의 환원성 분위기가 솔더 범프의 재산화를 방지하여 용융 솔더 범프와 UBM과의 젖음이 일어나 금속간 화합물이 형성되며 범프의 정형과 자기정렬이 일어난다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법에 있어서, 아르곤-수소 플라즈마는 솔더 범프 표면의 산화막을 식각함과 동시에 열을 솔더 범프로 공급하여 솔더 범프를 용융시켜 구형의 솔더 범프로 리플로우시키는 역할을 한다.
본 발명은 아르곤-수소 플라즈마 리플로우를 이용함으로써 공정상의 위험부담을 최소화할 수 있으며, 리플로우를 위한 추가적인 열원을 필요로 하지 않는다.
또한, 본 발명에 따라 아르곤-수소 플라즈마 리플로우를 이용하여 형성된 솔더 범프의 접합강도는 플럭스를 사용하는 경우보다 우수할 뿐만 아니라, 솔더 범프가 중심에서 어긋나게 접합되더라도 UBM 패턴 위에서 자기정렬되어 극 미세 피치 실장이 가능하여 미세 피치 플립칩 패키지의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 환경적으로 유해하지 않은 아르곤-수소 플라즈마를 사용하여 환경보호에도 도움이 될 것이다.
Claims (5)
- 실리콘 칩에 전해도금을 위한 씨앗층으로 Cr/Cu 박막을 증착시키는 단계(a);상기 실리콘 칩에 후막 포토레지스트를 이용하여 UBM 패턴을 형성하고, 전해도금법을 이용하여 UBM을 전착시킨 후, 포토레지스트와 도금 씨앗층을 제거하여 UBM을 형성시키는 단계(b);상기 단계(b)에서 제조된 UBM 위에 솔더 범프를 도포하는 단계(c); 및상기 단계(c)의 솔더 범프를 아르곤-수소 플라즈마에 의하여 리플로우시켜 구형의 솔더 범프를 형성시키는 단계(d)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법.
- 제1항에서 있어서,상기 단계(b)의 UBM은 Cu/Ni인 것을 특징으로 하는 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법.
- 제1항에서 있어서,상기 단계(c)의 솔더 범프를 도포하는 방법은 열증착법, 전해도금법, 스텐실 프린팅, 스터드 와이어 범핑 방법, 또는 레이저 볼 접합 방법 가운데 선택되는 것을 특징으로 하는 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법.
- 제1항에 있어서,상기 단계(d)의 플라즈마 리플로우 공정은 아르곤과 5~30% 수소 혼합 기체를 사용하여, 50~400mtorr의 체임버 압력, 50~300W 범위의 플라즈마 출력, 5~300초의 처리시간 조건하에서 행하여 지는 것을 특징으로 하는 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법.
- 제1항에 있어서,상기 솔더 범프는 아르곤-수소 플라즈마 리플로우 공정에 의하여 자기정렬되는 것을 특징으로 하는 아르곤-수소 플라즈마를 이용한 무플럭스 솔더 범프의 리플로우 방법.
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