KR100426391B1 - 금속 범프의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판에 금속 범프를 형성하는 방법에 관한 것으로, 균일한 크기를 갖는 금속 범프를 형성하기 위하여 (a) 상부면에 상온에서는 금속 페이스트와 접착성을 가지며, 고온에서는 접착성을 상실하는 접착층이 형성된 보조 기판이 구비되는 단계와; (b) 상기 보조 기판의 접착층 상에 홀 패턴이 형성된 마스크가 안착되어 상기 홀 패턴 내부에 금속 페이스트가 스크린 프린팅되는 단계와; (c) 상기 마스크가 상기 보조 기판에 분리되어 상기 홀 패턴에 충전된 금속 페이스트의 형이 상기 접착층에 형성되는 단계와; (d) 상기 금속 페이스트를 리플로우 솔더 공정으로 금속 볼을 형성하는 단계와; (e) 상기 금속 볼에 전도성 패드가 형성된 주 기판이 압착되는 단계와; (f) 상기 금속 볼을 사이에 두고 상기 보조 기판과 주 기판이 압착된 상태에서 리플로우 솔더 공정에 의해 금속 볼이 상기 주 기판의 전도성 패드에 융착되는 단계; 및 (g) 상기 보조 기판이 상기 전도성 패드에 융착된 금속 볼에서 분리되어 상기 주 기판의 전도성 패드에 금속 볼이 융착되어 금속 범프로 형성되는 단계;를 포함하는 금속 범프의 제조 방법이 개시되어 있다.

Description

금속 범프의 제조 방법(Method for manufacturing metal bump)
본 발명은 금속 범프를 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체용 기판 상에 균일한 크기를 갖는 금속 범프의 제조 방법에 관한 것이다.
전자기기의 경박단소화 추세에 따라 반도체 칩을 탑재하는 패키징(Packaging) 기술도 고속, 고기능, 고밀도 실장이 요구되고 있다. 이러한 요구에 따라 최근 반도체 칩을 최소한의 공간상에 패키징하는 볼 그리드 어레이(Ball Grid Array; BGA) 패키지, 칩 스케일 패키지(Chip Scale Package; CSP) 등이 등장하게 되었으며, 이러한 패키지는 와이어 본딩(Wire Bonding), 탭(TAB; Tape Automated Bonding) 및 플립 칩 본딩(Flip Chip Bonding) 등의 다양한 전기적 접속 방법을 이용하여 외부 전자 장치에 실장된다. 이들 전기적 접속 방법 중에서 고속, 고기능, 고밀도 실장에 가장 효과적인 방법은 플립 칩 본딩이며, 플립 칩 본딩 공정에는 접속의 매개체로서 반도체 칩의 전극 패드나 회로 기판의 기판 패드 상에 금속 범프(Metal Bump)를 제조하는 것이 필수적이다. 여기서, 반도체 칩, 인쇄회로기판과 같은 반도체용 기판을 주 기판(Main Substrate)이라 하며, 전극 패드와 기판 패드를 전도성 패드(Conductive Pad)라 하자.
금속 범프를 제조하는 방법에는 도금에 의한 방법(Plating Method)이 일반적으로 사용되고 있다. 도금 방법은 전도성 패드 상에 금속 범프와 접착력이 좋고 확산을 막아줄 수 있는 금속을 미리 형성한 다음, 전기도금으로 금속 범프를 형성하므로 거의 균일한 형상의 범프를 얻을 수 있고 미세 피치(Fine Pitch)에도 대응이 가능한 장점이 있다. 하지만, 제조 공정이 복잡하고 가격이 비싼 단점이 있다. 또한 다른 방법으로 금속 페이스트(Metal Paste)를 전도성 패드 상에 스크린 프린트하여 금속 범프를 형성하는 스크린 프린트 방법(Screen Printing Method)이 제안되고 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 스크린 프린트 방법을 이용하여 주 기판의 전도성 패드에 종래의 금속 범프를 제조하는 방법을 설명하겠다.
도 1 내지 도 3은 스크린 프린트 방법에 의한 금속 범프를 주 기판 상에 제조하는 단계가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 상부면에 소정의 간격을 두고 복수개의 전도성 패드(12)가 형성된 주 기판(10)과, 전도성 패드(12)에 대응되게 홀(12) 패턴(Hole Pattern)이 형성된 마스크(20; Mask)가 구비된 상태에서, 주 기판의 전도성 패드(12)에 마스크의 홀(24) 패턴이 정렬된 상태에서 마스크(20)는 주 기판(10)의 상부면에 안착된다. 그리고, 마스크(20) 상에 투입된 금속 페이스트(32)를 스퀴지(40; Squeegee)로 밀어 홀(24) 패턴 내부로 금속 페이스트(32)를 충전시킨다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이 마스크의 홀(24) 패턴에 금속 페이스트(32)의 충전이 완료된 이후에 마스크(20)를 주 기판(10)에서 분리하게 된다. 그리고, 도 3에 도시된 바와 같이 전도성 패드(12) 상에 스크린 프린트된 금속 페이스트(32)는 리플로우 솔더(Reflow Solder) 공정에 의해 반구(hemisphere) 형상의 금속 범프(30)로 제조된다.
이와 같은 스크린 프린트 방법은 도금 방법에 비해 공정이 간단하고 가격이 저렴한 금속 범프를 얻을 수 있는 반면에 금속 페이스트가 마스크의 홀 패턴에 충전된 이후에 마스크를 기판에서 분리할 때 홀의 내부 벽면에 금속 페이스트가 불균일하게 잔류하게 되어 금속 페이스트의 균일한 전사가 어려워 균일한 크기를 갖는 금속 범프의 제조가 곤란하다. 그리고, 불균일한 금속 범프가 형성된 제품을 외부 전자 장치에 실장하게 됨으로 외부 전자 장치와의 접합성이 떨어지는 문제점을 안고 있다. 특히 미량을 전사할 경우 금속 범프의 크기 편차가 더욱 심해져서 미세 피치의 전도성 패드에는 적용하기 어려운 단점이 있다.
좀더 상세히 설명하면, 마스크의 홀 패턴에 충전된 금속 페이스트에 대한 접착성은 주 기판의 전도성 패드와 마스크가 큰 차이가 없다. 따라서, 마스크가 주 기판에서 분리될 때 전도성 패드 상에 스크린 프린트되는 금속 페이스트에 대한 접착성이 거의 동일하기 때문에 금속 페이스트가 마스크의 홀의 내부 벽면에 잔류하는 불량을 발생하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 균일한 양의 금속 페이스트를 전사하여 균일한 크기를 갖는 금속 범프의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 종래 기술의 실시예에 따른 금속 범프의 제조 방법에 있어서, 주 기판에 금속 페이스트가 스크린 프린팅되는 상태를 나타내는 단면도,
도 2는 도 1에서 마스크가 주 기판에서 분리되는 상태를 나타내는 단면도,
도 3은 기판의 전도성 패드에 금속 범프가 형성된 상태를 나타내는 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 금속 범프의 제조 방법에 있어서, 접착층이 형성된 보조 기판이 구비된 상태를 나타내는 단면도,
도 5는 도 4의 접착층이 형성된 보조 기판에 금속 페이스트가 스크린 프린팅되는 상태를 나타내는 단면도,
도 6은 도 5에서 마스크가 보조 기판에서 분리되는 상태를 나타내는 단면도,
도 7은 접착층이 형성된 보조 기판 상에 구형의 금속 볼이 형성된 상태를 나타내는 단면도,
도 8a는 하부에 위치하는 접착층이 형성된 보조 기판 상의 금속 볼에 주 기판의 전도성 패드가 압착되는 상태를 나타내는 단면도,
도 8b는 하부에 위치하는 주 기판의 전도성 패드에 접착층이 형성된 보조 기판 상의 금속 볼이 압착되는 상태를 나타내는 단면도,
도 9는 도 8 공정이후에 주 기판에 금속 범프가 형성된 상태를 나타내는 단면도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 설명 ※
110 : 주 기판 112 : 전도성 패드
120 : 마스크 124 : 홀
130 : 금속 범프 132 : 솔더 페이스트
134 : 플럭스 136 : 금속 볼
140 : 스퀴지 150 : 보조 기판
152 : 접착층
상기 목적을 달성하기 위하여, 접착층이 형성된 보조 기판에 금속 페이스트를 스크린 프린트하고 리플로우 솔더 공정에 의해 구형의 금속 볼을 형성한다.
그리고, 보조 기판의 접착층에 형성된 금속 볼에 주 기판의 전도성 패드를 정렬한 상태에서 전도성 패드와 금속 범프가 접속되도록 압착하고, 리플로우 솔더 공정을 진행하여 전도성 패드에 구형의 금속 범프를 융착한 상태에서 보조 기판을 분리함으로써, 주 기판의 전도성 패드에 반구 형상의 금속 범프를 형성하는 금속 범프의 제조 방법을 제공한다.
그리고, 보조 기판의 접착층에서 금속 범프를 분리하기 위해서 금속 페이스트의 성분 중에서 플럭스를 세정하는 공정을 더 포함하며, 접착층은 상온에서는 금속 페이스트와의 강한 접착성을 가지고 고온에서는 접착성을 상실하며 금속과의 젖음성(Wettability)이 나쁜 재질이 사용된다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 4 내지 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 금속 범프의 제조 방법을 설명하면, 먼저 도 4를 참조하면, 접착층(152)이 형성된 보조 기판(Sub Substrate; 150)을 준비한다. 접착층(152)으로는 상온에서는 금속 페이스트와 강한 접착성을 가지고, 고온에서는 접착성을 상실하며 금속과의 젖음(Wetting)이 나쁜 폴리머 필름(Polymer Film)이 사용되며, 폴리머 필름은 세라믹(Ceramic) 또는 유리(Glass) 기판과 같은 보조 기판(150)에 부착된다.
여기서, 보조 기판(150)이란 용어는 주 기판과 구분하기 위하여 사용하였다.
다음으로 도 5를 참조하면, 접착층(152)이 형성된 보조 기판(150)이 준비된 상태에서 주 기판의 전도성 패드(도 8의 112)에 대응하는 홀(124) 패턴이 형성된 마스크(120)를 보조 기판의 접착층(152) 상에 안착시킨다. 이때, 금속 페이스트(132)는 마스크(120) 상에 공급하며, 공급된 금속 페이스트(132)는 스퀴지(140)에 밀려 홀(124) 내부로 충전된다.
여기서, 금속 페이스트(132)는 부피의 약 10%가 금속이며, 나머지 약 90%가 플럭스(Flux)이다. 그리고, 금속 페이스트(132)로는 금속이 솔더(Solder)인 솔더 페이스트(Solder Paste)가 주로 사용되며, 솔더는 63%의 주석(Sn)과 37%의 납(Pb)의 합금이다. 그리고, 마스크(120)로는 스테인레스(Stainless) 또는 니켈판(Nickel Plate)에 에칭에 의해 홀 패턴(124)이 형성된 금속 마스크(Metal Mask)가 주로 사용된다.
다음으로 도 6을 참조하면, 금속 페이스트(132)의 충전이 완료된 이후에 마스크(120)를 접착층(152)에서 분리함으로써 금속 페이스트(132)는 접착층(152)에 스크린 프린트된다. 이때, 접착층(152)의 특성에 의해 금속 재질의 마스크(120)는 접착층(152)에서 쉽게 분리되며, 금속 페이스트(132)는 접착층(152)의 접착력에 의해 접착층(152)에 남아 있게 된다.
이때, 마스크의 홀(124) 내부에 충전된 금속 페이스트(132)의 하부가 접착층(152)에 부착되기 때문에 마스크의 홀(124) 내부에 잔류하는 양은 줄어들게 되며, 스크린 프린트되는 양이 적을수록 마스크의 홀(124) 내부에 잔류하는 양은 더욱 줄어들게 된다.
그리고, 도 7에서 도시된 바와 같이 리플로우 솔더 공정에 의해 금속 페이스트(도 6의 132)는 구형의 금속 볼(136)로 형성된다. 이 때, 금속 페이스트의 플럭스(134) 성분은 접착층(152) 아래로 몰리게 되며, 금속 성분은 플럭스(134) 상에 구형의 금속 볼(136)로 형성된다. 그리고, 금속 볼(136) 자체는 접착층(152)에 대한 접착력은 떨어지지만, 플럭스(134)에 의해 접착층(152)에 부착된다. 또한, 구형으로 금속 볼(136)이 형성되는 이유는 접착층(152)이 금속과의 젖음성(Wettability)이 나쁘기 때문이다.
다음으로, 도 8a를 참조하면, 도 7에서 보조 기판의 접착층(152) 상에 금속 볼(136)이 형성된 상태에서 금속 볼(136)의 위치에 대응하는 전도성 패드(112)가 형성된 주 기판(110)이 보조 기판(150)에 정렬된다. 그리고, 금속 볼(136)에 전도성 패드(112)가 위치할 수 있도록 주 기판(110)을 압착한 상태에서 2차 리플로우 솔더 공정을 통하여 전도성 패드(112)에 금속 볼(136)을 융착하게 된다. 그리고, 보조 기판(150)과 전도성 패드(112)에 융착된 금속 볼(136)은 플럭스(134) 성분을 제거함으로써 보조 기판(150)에서 금속 볼(136)은 분리되며, 도 9에 도시된 바와 같이 반구형상의 금속 범프(130)가 전도성 패드(110) 상에 형성된다.
이 때, 도 8a는 보조 기판(150)이 세라믹 기판과 같은 불투명 기판이기 때문에 하부에 보조 기판(150)이 위치하며, 보조 기판의 금속 볼(136)의 위치에 맞게 주 기판의 전도성 패드(112)를 정렬하여 보조 기판(150)에 주 기판(110)을 압착하여 최종적으로는 도 9에 도시된 바와 같은 전도성 패드(112)에 반구형상의 금속 범프(130)를 형성하게 된다.
하지만, 도 8b와 같이 보조 기판(150)이 유리 기판과 같은 투명 기판인 경우에는 하부에 전도성 패드(112)가 형성된 주 기판(110)이 위치하며, 주 기판의 전도성 패드(112)의 위치에 맞게 보조 기판의 금속 볼(136)을 정렬하게 되며, 주 기판(110)에 보조 기판(150)을 압착하여 최종적으로는 도 9에 도시된 바와 같은 전도성 패드(112)에 금속 범프(130)를 형성하게 된다. 그리고, 유리 기판과 같은 보조 기판(150)의 경우에는 도 8a와 같은 방법으로도 금속 범프(130)의 제조가 가능하다. 물론, 도 9와 같은 전도성 패드(112)에 금속 범프(130)를 형성하기 위하여 전도성 패드(112)에 융착된 금속 볼(136)을 보조 기판(150)에서 분리하기 위하여 플럭스(134)를 제거하는 세정 공정을 거치게 된다.
여기서, 본 발명의 실시예에서는 주 기판(110)으로 인쇄회로기판을 사용하여, 인쇄회로기판의 기판 패드 상에 금속 범프를 형성하는 단계를 설명하였지만, 주 기판(110)으로 칩 패드가 형성된 반도체 칩을 사용하여, 칩 패드 상에 금속 범프를 형성하는 방법 또한 전술된 내용과 동일하다.
따라서, 본 발명의 의한 구조를 따르면 폴리머 필름과 같은 접착층을 갖는 보조 기판을 이용하여 접착층 상에 금속 페이스트를 금속 마스크를 이용하여 스크린 프린트할 때, 폴리머 필름은 금속 마스크에 대한 접착성이 나쁜 반면 금속 페이스트와의 접착성이 좋기 때문에 균일한 양의 금속 페이스트의 스크린 프린트가 가능하다. 특히, 미량의 금속 페이스트의 스크린 프린트에 적합하다.
그리고, 리플로우 솔더 공정에 의해 폴리머 필름 상에 배열된 균일한 금속 볼을 인쇄회로기판과 같은 주 기판의 전도성 패드에 융착하여 금속 범프를 형성하기 때문에 균일한 크기를 갖는 금속 범프의 제조가 가능하다.

Claims (9)

  1. (a) 상부면에 상온에서는 금속 페이스트와 접착성을 가지며, 고온에서는 접착성을 상실하는 접착층이 형성된 보조 기판이 구비되는 단계와;
    (b) 상기 보조 기판의 접착층 상에 홀 패턴이 형성된 마스크가 안착되어 상기 홀 패턴 내부에 금속 페이스트가 스크린 프린트되는 단계와;
    (c) 상기 마스크가 상기 보조 기판에 분리되어 상기 홀 패턴에 충전된 금속 페이스트의 형이 상기 접착층에 형성되는 단계와;
    (d) 상기 금속 페이스트를 리플로우 솔더 공정으로 금속 볼을 형성하는 단계와;
    (e) 상기 금속 볼에 전도성 패드가 형성된 주 기판이 압착되는 단계와;
    (f) 상기 금속 볼을 사이에 두고 상기 보조 기판과 주 기판이 압착된 상태에서 리플로우 솔더 공정에 의해 금속 볼이 상기 주 기판의 전도성 패드에 융착되는 단계; 및
    (g) 상기 보조 기판이 상기 전도성 패드에 융착된 금속 볼에서 분리되어 상기 주 기판의 전도성 패드에 금속 볼이 융착되어 금속 범프로 형성되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 범프의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 접착층은 폴리머 필름인 것을 특징으로 하는 금속 범프의 제조 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 보조 기판은 세라믹 기판인 것을 특징으로 하는 금속 범프의 제조 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 (e) 단계는,
    (e1) 하부에 상기 금속 볼이 형성된 보조 기판이 위치하는 단계;
    (e2) 상기 금속 볼의 위치에 맞게 주 기판의 전도성 패드를 정렬된 상태에서 상기 보조 기판에 주 기판을 압착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 범프의 제조 방법.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 보조 기판이 유리 기판인 것을 특징으로 하는 금속 범프의 제조 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 (e) 단계는,
    (e1) 하부에 전도성 패드가 형성된 주 기판이 위치하는 단계;
    (e2) 상기 전도성 패드의 위치에 맞게 상기 보조 기판의 금속 볼이 정렬된 상태에서 상기 주 기판에 보조 기판을 압착하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 범프의 제조 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 금속 페이스트는 금속 성분과 플럭스 성분을 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 금속 범프의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 (d) 단계의 리플로우 솔더 공정에 의해 상기 금속 페이스트의 플럭스 성분이 접착층 상으로 내려오며, 상기 플럭스 상에 금속 재질의 상기 금속 볼이 구형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 범프의 제조 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 (g) 단계에서 상기 보조 기판을 상기 전도성 패드에 융착된 금속 볼에서 분리하기 위하여 상기 플럭스를 세정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 범프의 제조 방법.
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