KR100426839B1 - 칩-기판 접속부를 제조하는 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 칩-기판 접속부(1)를 제조하는 방법에 관한 것으로 특히, 기판(3)상의 반도체칩(2)을 납땜하는 장치에 관한 것이다. 이 장치는 기판(3)이 임시로 지지되는 지지물(7)과 칩-기판 접속부(1)에 할당된 가열 장치(8)를 가진다. 가열 장치(8)는 적외선 파장 범위의 레이저 형태인 방사 소스(9)를 가진다. 지지물(7)은 칩-기판 접속부(1)에 할당되며 방사 소스(9)에 의해 열 방사로 가열되는 가열체(15)로서 형성된다. 가열체(15)의 표면은 방사 소스(9)에 의해 방사되는 광 방사(14)에 대해 높은 흡수율을 나타내는,특히, 크롬을 포함하는 물질(17)로 코팅된다.

Description

칩-기판 접속부를 제조하는 장치 및 방법 {DEVICE AND METHOD FOR PRODUCING A CHIP-SUBSTRATE CONNECTION}
반도체칩의 후면이 기판에 접속되어 있을때, 이는 통상적으로 칩 또는 다이 접착(die bonding)으로 불리는데, 충분한 기계적인 고정과 우수한 열적, 전기적 도전성에 대한 요구 조건은 애플리케이션에 따라 개별적으로 또는 공동으로 채워져야 한다. 칩과 기판의 적합성, 즉, 열 부하(thermal loading)하에서의 팽창 작용면에서 접속의 두 요소(participant)의 정합이 중요 요소이다. 현재, 칩을 고정하는 기본적인 세개의 두드러진 방법은 통상적으로 합금(경랍;hard soldering), 납땜(연랍;soft soldering) 및 접착이다. 본 발명에 따른 애플리케이션의 바람직한 선택은 납땜(연랍)이다. 이 방법의 경우, 예를 들면 칩 고정용 공융(eutectic) Si/Au 경랍과는 반대로 칩의 어떤 실리콘도 녹지않는다. 오히려, 섭씨 450℃ 이하의 온도, 따라서 포함된 금속의 용융점보다 상당히 낮은 온도에서 연랍하는 과정에서, 접속시 금속화되는 요소들은 납땜을 녹여 용융되면서 접속된다. 연랍 과정중에 발생하는 온도에서는 모든 통상적인 기판에 이 방법을 사용할 수 있지만, 이는 바람직하게 금속성 리드프레임과 세라믹 하우징 베이스에 사용된다. 일반적으로, 납땜으로 칩을 고정하는 경우, 접속된 요소들의 열 팽창 작용면에서의 정합이 요구되지만, 이 경우 그 범위는 합금의 경우보다 더 넓게 세팅되어 있다.
칩의 가공되지않은 후면은 일반적으로 연랍에 의해 용융되지 않으며, 금속화될 것이다. 실리콘상의 충분한 접착 및 공핍층이 없는 접합에 대한 요구 조건외에, 또한 이 경우에 적용할 수 있는 것으로서, 충분한 납땜 능력(solderability), 즉 용융도(wettability)에 대한 요구 조건도 필요하다. 그러므로, 공핍층이 없는 접착의 경우, 주로 Ti, NiSi 및 AuSb를 포함하는 납땜은 n-Si 층에 적합하며, 주로 Al, Cr 및 Au를 포함하는 납땜은 p-Si층에 적합한 것으로 판명되었다. 기판 표면에는 화학적인 수단으로 도금된 니켈이 일반적으로 사용된다. 만일 납땜 온도가 낮게 요구된다면, 은 전기도금 방법을 고려해볼 수 있다.
반도체칩과 재료를 접합하기 위해 가열하는 가열 소스로는 지금까지 저항-가열 납땜 리셉터클(resistance-heated soldering receptacle) 또는 가열 와인딩(heating winding)이 사용되었다. 그러나, 이러한 가열 소스는 납땜 온도까지 가열하는 속도가 너무 길고(일반적으로 1초보다 상당히 길다), 그 결과로 납땜의 산화가 발생하며 결과적으로 보호 가스 또는 환원 대기(reducing atmosphere)가 필요한 단점을 가진다.EP-A 321 142 A2에 다이오드 레이저를 이용한 납땜 방법이 개시되어 있으며, 여기에는 벨형태(bell-shaped)의 방법으로 접속되는 부분들 주변에 결합되며 레이저 방사를 흡수하는 물질로 이루어진 가열 엘리멘트가 제공된다. 가열 엘리멘트는 레이저 광을 가진 방사로 가열되며 접속되는 부분으로 열 에너지를 방출한다. 가열 엘리멘트는 접속되는 부분들과 직접 기계적으로 접촉하지 않으며 오히려 충분한 공기 순환을 보장하는 개구부가 제공된다.GB-A-2244374에는 반도체 웨이퍼 기판과 집적 회로의 레이저를 이용한 납땜 접속 방법이 개시되어 있는데, 여기서는 레이저의 적외선 방사가 납땜 접속부에서 웨이퍼 기판을 직접 통과하여 직진한다.또한, 레이저 또는 방사를 이용한 납땜 방법이 IBM TBD vol. 22 no.2, July 1979 와 IBM TDB vol. 24 no. 8 Jan. 1982 에 개시되어 있다.
본 발명은 칩-기판 접속부를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것으로 특히, 기판에 반도체 칩을 납땜하여 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 이 장치는 기판을 임시로 지지하는 지지물과 칩-기판 접속부에 할당된 가열 장치를 가진다.
도 1은 IR 레이저 소스로 반도체칩을 연랍(soft soldering)하여 칩-기판 접속부를 제조하는 장치의 개략도이다.
본 발명은 금속 리드프레임 또는 세라믹 하우징 베이스와 같은 기판상에 반도체칩을 고정하기 위해 특별히 연랍에 의한 칩-기판 접속부를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 전형적으로 섭씨 350℃이상으로 납땜 접속부를 제조하기 위한 가열 방법은 매우 짧은 시간, 즉, 대략 1초이하에서 이루어지고, 동시에, 열 부하를 유지하기 위한 가열은 가능한 낮은 온도에서 해당 범위의 반도체상에서 이루어진다.
이 목적은 장치 청구항 제 1 항과 방법 청구항 제 10 항에 의해 달성된다.
본 발명에는 방사 소스를 가진 가열 장치와 가열 장치의 일부분으로서 칩-기판 접속부에 할당되고 장치가 동작하는 동안 방사 소스에 의한 전자기 방사에 의해 가열되는 가열체가 제공된다. 본 발명의 원리에 따라, 방사 소스는 적외선 파장 범위의 레이저 방사를 가진 레이저로 구성된다.
칩 고정을 위해 연랍하는 경우에 있어서 지금까지 사용된 가열 소스와 비교해보면, 본 발명은 특히 다음과 같은 이점을 가진다.
- 전형적으로 약 950nm 범위인 적외선 파장의 레이저 방사를 사용함으로써 반도체칩과 기판의 납땜 접속부가 매우 짧은 시간에, 즉, 전형적으로 대략 1초 또는 그 이하에서 섭씨 350℃이상으로 가열될 수 있으며, 레이저 전력은 열 방사로 가열된 가열체에 따라 적절히 선택되어 사용되며, 이 방식에서 가열체는 적외선 광 에너지가 열 에너지로 전환될 수 있도록 레이저 방사의 상당히 높은 흡수율을 보여주지만, 다른 한편 레이저 전력은 접속되는 반도체칩이 매우 높은 열 부하에 노출될 정도로 높지는 않다.
- 납땜의 산화는 납땜 온도까지 가열하는 매우 빠른 속도로 인해 피할 수 있다. 그 결과로 보호 가스 또는 환원 대기의 사용없이 작업이 이루어질 수 있다. 납땜 온도에 도달할 때까지의 매우 짧은 시간 간격에 따라 납땜 용제를 사용하지 않을수도 있다.
- 짧은 시간 동안의 가열은 대략 스폿-타입 방법과 그에 따른 칩-바이-칩 방법에 의해 영향을 받을 수 있다. 이 결과에 따라 납땜 조인트를 제조하는 각 해당 범위의 반도체칩만이 제어된 방법으로 가열되며, 납땜 조인트에 인접한 반도체칩에는 여전히 현저한 온도 증가가 발생하지 않는다.
"칩-기판 접속부"라는 용어는 웨이퍼 합성물로부터 잘려지거나 톱질된 개별 칩들의 접속부뿐 아니라 웨이퍼 합성물의 여전히 인접하고 있는 다수의 반도체 칩들, 소위, 칩잉곳(chip ingot)들의 접속부를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
칩-기판 접속부에 할당된 가열 장치의 가열체가 방사 소스의 열 방사에 대해 투명하거나 적어도 반투명인 물질을 가지는 것은 유리하다. 가열체에 선택된 물질인 석영은 자체의 낮은 팽창 정도에 따라 짧고 국부적으로 발생되는 온도 변동에 의해 크랙(crack) 또는 브레이크(break)를 수반하지 않는다는 이점을 가진다.
본 발명의 원리에 따라, 가열체는 칩-기판 접속부와 대면하는 면에 방사 소스에 의해 공급된 광방사에 대한 높은 흡수율을 나타내는 물질을 가진다. 칩-기판 접속부와 대면하는 가열체의 표면상에서, 높은 흡수율을 나타내는 물질이 얇은 금속층, 특히, 현저하게 얇은 크롬층으로 코팅되는 것은 특히 유리하다. 석영과 같은 투명한 가열체의 경우에 있어서, 사용된 크롬층의 두께는 유리하게 수 100nm이며 가열체상의 크롬층의 충분한 접착에 대해 아무런 문제가 없다면 기껏해야 대략수 ㎛ 또는 그 이상이다. 본 발명에 따르면, 가열체상의 높은 레이저 흡수율을 나타내는 물질은 무엇보다도 레이저 방사의 높은 흡수율이 상당히 높아서 적외선 광 에너지를 열 에너지로 전환한다는 이점을 제공한다.
동시에, 이 물질의 효과적인 흡수율은 사용된 레이저 전력을 줄일수 있으며, 이에 따라 본 발명에 따른 칩-기판 접속부를 제조하기 위한 반도체 레이저 다이오드와 같은 이전부터 사용가능한 매우 적절한 레이저 소스의 사용이 개발중이다.
레이저 흡수 물질로 코팅된 가열체의 경우, 가열체 자체는 비효율적인 열 컨전도체여야 하며 이상적으로는 레이저 방사에 대해 투명해야 한다. 또한 효율적인 열 전도성을 가지는 경우, 상당히 낮은 열용량을 가져야 한다. 이 방식에서, 주된 물질을 가열하는데 사용되지 않은 에너지의 비율은 양쪽 모든 경우에서 낮게 유지될 수 있다. 이 의미로 보면, 에너지 흡수체 역할을 하는 크롬층이 제공된 석영 가열체를 선택하는 것이 바람직하다.
특히 유리하게, 높은 흡수율을 나타내는 물질의 범위는 가열되는 칩-기판 접속부의 직접적인 영향을 받는 반도체칩의 섹션에 따라 제한될 수 있다. 이는 인접 칩들을 불필요하게 가열하지 않고 개별적으로 칩들을 접착하는 가능성을 열어주었다.
본 발명은 도면을 참조로 이하에서 상세히 설명된다.
도 1에 도시된 실시예에는 기판(3)의 개별 반도체칩(2)을 연랍(soft soldering)하여 칩-기판 접속부를 제조하는 본 발명에 따른 장치가 포함된다. 간단히 하기 위해, 칩-기판 접속부를 제조하는 반도체칩(2)의 후면에 필요한 모든 재료 즉, 연랍 및 가능하다면 납땜이 가능한 커버층들을 개략적으로 참조부호(4)라 지정한다. 반도체칩을 고정하는 마운트(mount) 역할을 하는 기판(3)은 도 1에 개략적이고 부분적으로 도시되어 있다. 특히, 플라스틱 하우징에 사용된 조립식 금속 리드프레임이 도시되어 있다. 기판(3)은 일반적으로 칩-기판 접속부를 제조하는 장치에 금속 스트립으로 제조된 연속적인 형태로 제공되며, 개별 반도체칩은 특정 형태의 흡입 플런저에 의해 칩이 톱질을 위해 웨이퍼로 접착된 접착 시트(특별히 도시되지 않음)로부터 제거되어 도 1에 도시된 바와 같이 반도체칩을 위해 제공된 기판(3)에 위치하여 증착된다. 다음으로 반도체칩(2) 및 기판(3)은 본 발명에 따른 장치에 의해 연랍으로 접속된다. 상기 장치는 테이블(6)에 고정되며, 기판(3)이 임시로 지지되는 지지대(7)를 포함하며, 또한 칩-기판 접속부(1)에 할당된 가열 장치(8)를 포함한다.
본 발명에 따라, 가열 장치(8)는 적외선 레이저 방사 소스(9), 바람직하게는 반도체 레이저 다이오드를 포함하며, 이는 전기적으로 결합된 제어기(10)에 의해 제어되고, 대략 950nm의 파장을 가진 이 레이저 방사는 광학 웨이브가이드(11)와 광학 포커싱 렌즈(12,13)를 통해 광방사(14)로 가열되는 가열체(15)로 가이드된다. 가열체(15)는 광 방사(14)로 가열된다. 가열체(15)는 칩-기판 접속부(1)와 대면한 표면(16)상에 100nm에서 대략 300nm의 두께를 가진 크롬층(17)이 제공된 석영판을 포함한다. 이 경우, 크롬층(17)은 공급된 레이저 방사(15)를 흡수하는 흡수층 역할을 하며, 수신된 방사 적외선 광 에너지를 열 에너지로 변환하고, 이 열 에너지를 가열체(15)에 열적으로 직접 결합된 기판(3)과 이에 따른 납땜 용제(4)에 전달한다. 본 발명의 기본적인 개념에 따라, 기판(3)을 지지하는 지지물(7)은 가열 장치(8)의 일부분으로서 동시에 설계된다. 즉, 소스(9)의 열방사로 가열된 가열체(15)로 구성되어 있다. 본 발명에 따른 장치는 구성 성분들이 접속될 수 있다. 다시 말하면, 반도체 칩(2)과 기판(3)이 전형적으로 1초보다 극히 짧은 시간에 350℃보다 다소 높은 온도의 필요한 납땜 온도에 이르도록 한다. 동시에, 접속되는 구성 성분을 가열하는 데 사용되지 않는 레이저(9)의 에너지 비율이 가능하면 낮게 유지될 수 있도록 한다. 선택적으로, 이미 알려진 형태의 가열 소스가 예열을 위해 제공될 수 있지만, 도에 도시되지는 않았다.

Claims (18)

  1. 기판(3)상의 반도체칩(2)을 납땜하여 칩-기판 접속부(1)를 제조하는 장치로서, 상기 기판(3)을 임시로 지지하는 지지물(7)과 칩-기판 접속부(1)에 할당되고 방사 소스(9)를 가진 가열 장치(8)를 포함하는 장치에 있어서,
    상기 기판(3)을 임시로 지지하는 지지물(7)은 가열 장치(8)의 일부로서 방사 소스(9)의 전자기 방사, 특히, 레이저 방사로 가열되는 가열체(15)를 가지며, 상기 가열체(15)는 상기 기판(3)에 열적으로 밀접하게 결합되는 것을 특징으로 하는 칩-기판 접속부 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 방사 소스(9)는 적외선 파장 범위의 레이저 방사를 가진 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 칩-기판 접속부 제조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 레이저 방사의 파장은 대략 950nm인 것을 특징으로 하는 칩-기판 접속부 제조 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 칩-기판 접속부(1)에 할당되고 상기 가열 장치(8)의 일부인 가열체(15)는 방사 소스(9)의 열방사에 대해 투명하거나 적어도 반투명인 물질을 가지는 것을 특징으로 하는 칩-기판 접속부 제조 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 가열체(15)는 석영을 가지는 것을 특징으로 하는 칩-기판 접속부 제조 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열체(15)는 상기 칩-기판 접속부(1)에 대면한 면에 상기 방사 소스(9)에 의해 공급된 광 방사(14)에 대해 높은 흡수율을 나타내는 얇은 크롬층(17)을 가지는 것을 특징으로 하는 칩-기판 접속부 제조 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 칩-기판 접속부(1)와 대면한 가열체(15)의 표면은 방사 소스(9)에 의해 방사되는 광 방사(14)에 대해 높은 흡수율을 나타내는 얇은 크롬층(17)으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 칩-기판 접속부 제조 장치.
  8. 삭제
  9. 제 6 항에 있어서, 높은 흡수율을 보이는 얇은 크롬층(17)의 범위는 가열되는 칩-기판 접속부(1)의 직접적인 영향을 받는 반도체 칩(2) 섹션으로 제한되는 것을 특징으로 하는 칩-기판 접속부 제조 장치.
  10. 기판(3)을 임시로 지지하는 지지물(7)과 칩-기판 접속부(1)에 할당되고 방사 소스(9)를 이용하는 가열 장치(8)를 사용하여 기판(3)상의 반도체칩(2)을 납땜하여 칩-기판 접속부(1)를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 기판(3)을 임시로 지지하는 지지물(7)은 가열 장치(8)의 일부로서 방사 소스(8)의 전자기 방사, 특히 레이저 방사로 가열되는 가열체(15)를 가지며, 상기 가열체(15)는 상기 기판(3)에 열적으로 밀접하게 결합되는 것을 특징으로 하는 칩-기판 접속부 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 적외선 파장 범위의 방사를 가진 레이저가 상기 방사 소스(9)로 사용되는 것을 특징으로 하는 칩-기판 접속부 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 레이저 방사 파장은 대략 950nm인 것을 특징으로 하는 칩-기판 접속부 제조 방법.
  13. 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 칩-기판 접속부(1)에 할당되며 가열 장치(8)의 일부인 가열체(15)는 방사 소스(9)의 열방사에 대해 투명하거나 적어도 반투명한 물질을 가지는 것을 특징으로 하는 칩-기판 접속부 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 가열체(15)는 석영을 가지는 것을 특징으로 하는 칩-기판 접속부 제조 방법.
  15. 제 10 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열체(15)는 상기 칩-기판 접속부(1)와 대면하는 면에 방사 소스(9)에 의해 공급된 광 방사(14)에 대해 높은 흡수율을 나타내는 얇은 크롬층(17)을 가지는 것을 특징으로 하는 칩-기판 접속부 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 칩-기판 접속부(1)와 대면한 가열체(15)의 표면은 방사 소스(9)에 의해 방사된 광 방사(14)에 대해 높은 흡수율을 나타내는 얇은 크롬층(17)으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 칩-기판 접속부 제조 방법.
  17. 삭제
  18. 제 15 항에 있어서, 높은 흡수율을 나타내는 얇은 크롬층(17)의 범위는 가열되는 칩-기판 접속부(1)의 직접적인 영향을 받는 반도체칩(2) 섹션으로 제한되는 것을 특징으로 하는 칩-기판 접속부 제조 방법.
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