KR100482940B1 - 고밀도 칼럼 그리드 어레이 접속체 및 접속 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전체적으로 신규한 반도체 칩 캐리어 접속에 관한 것으로, 상기 칩 캐리어와 제2 레벨 어셈블리는 표면 실장 기법에 의해 제조된다. 보다 상세하게 말하자면, 본 발명은 표면 실장 기법, 예컨대, 볼 그리드 어레이(BGA), 칼럼 그리드 어레이(CGA)를 포함하고, 표면 실장 기법은 기본적으로 구리 접속과 같은 논솔더 금속 접속을 포함한다. 본 발명은 또한 칼럼 그리드 어레이 구조체와 그 제조 공정에 관한 것이다.

Description

고밀도 칼럼 그리드 어레이 접속체 및 접속 방법{HIGH DENSITY COLUMN GRID ARRAY CONNECTIONS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 전체적으로 신규한 반도체 칩 캐리어 접속에 관한 것으로, 상기 칩 캐리어와 제2 레벨 어셈블리는 표면 실장 기법에 의해 제조된다. 보다 상세하게 말하자면, 본 발명은 표면 실장 기법, 예컨대 볼 그리드 어레이(ball grid arry; BGA), 칼럼 그리드 어레이(column grid array; CGA)를 포함하고, 이 표면 실장 기법은 기본적으로 구리 접속과 같은 논솔더 금속 접속(non-solder metallic connection)을 포함한다. 본 발명은 또한 칼럼 그리드 어레이 구조체와 그 제조 공정에 관한 것이다.
새로운 기술의 발전과 함께 반도체 장치는 점점 작아지고 고집적화되고 있다. 그러나, 회로 밀도의 증가는 칩 접속에 있어서 이에 상응하는 전반적인 문제를 증가시킨다. 칩 제조업자는 지속적인 혁신에 의해 그들의 제품을 개선시킬 것을 요구받고 있다. 칩 접속 기법에 있어서 중요한 개선이 이루어졌지만, 이것만으로는 모든 문제를 극복할 만큼 충분하지 않다.
현재 주된 혁신이 이루어지고 있는 종래 기술의 분야는 칩과 기판 사이 및 기판과 다음 레벨의 배선간의 접속으로 무연(無鉛) 솔더 금속을 사용하는 분야이다.
예컨대, 미국 특허 제5,328,660호(Gonya)는 주석을 주성분으로 한 무연 고온 다성분 솔더를 개시하고 있는데, 여기서 솔더 합금은 78.4 중량%의 주석을 함유하고 나머지는 은, 비스무스 및 인듐이다.
이와 유사하게, 미국 특허 제5,411,703(Gonya)는 주석을 주성분으로 한 다성분 솔더에 관한 것인데, 여기서 높은 고화(solidus) 온도를 갖는 솔더 합금은 93 내지 94 중량%의 주석을 함유하고 나머지는 안티몬, 비스무스 및 구리이다.
한편, 미국 특허 제5,733,501호(Takao)는 무연 솔더 합금의 피로 테스트를 개시하고 있는데, 여기서 구리 리드선은 유리-에폭시 수지-구리 적층 보드/기판 내의 홀을 통과하여 솔더 합금에 의해 납땜된다.
미국 특허 제5,874,043호(Sarkhel)는 주석을 주성분으로 한 다른 무연 다성분 솔더를 개시하고 있는데, 여기서 솔더 합금은 70.5 내지 73.5 중량%의 주석을 함유하고 나머지는 은 및 인듐이다.
다른 혁신 분야는 칩 캐리어 기술 분야에서, 특히 칩 캐리어가 세라믹 재질로 만들어질 때에, 용도 확대를 모색하고 있는 칼럼 그리드 어레이 칩 캐리어다. 이 칩 캐리어는 일반적으로 세라믹 재질 또는 유기 적층 재질로 만들어 진다. 복수개의 솔더 칼럼이 칩 캐리어의 I/O(입력/출력) 패드와 다음 레벨의 패키지에 부착되어 둘 사이에 전기적 접속을 제공한다. 예컨대, 본 출원인에게 양도된 미국 특허 제5,324,892호(Granier)를 참조하라. 그 기재 내용은 참고로 본 명세서에 인용되는데, 솔더 칼럼을 이용한 전자적 상호 접속체의 제조 방법을 교시하고 있다. 솔더 칼럼은 약 250℃를 초과하는 융점을 가진 솔더로 만들어진다. 미리 제조된 솔더 칼럼이 약 240℃ 미만의 융점을 가진 솔더를 사용하여 칩 캐리어에 부착된다. 이들 솔더 칼럼은 독립적으로 제조되고 캐리어에 대해 정렬되어 있는 노 고정구에 장착된다. 고온 솔더 칼럼은 저온 솔더 합금을 재유동시킴으로써 부착된다. 그러나, 이 분야에서의 숙련자들은 일반적으로 직경이 작은 솔더 칼럼이 매우 부드러워서 칩 캐리어 모듈의 제조 과정 중에 이 칼럼이 쉽게 손상을 받거나 구부러질 수 있다는 것을 알고 있다. 이 문제는 특히 이 칼럼이 I/O 패드 어레이 상의 여러 지점에 존재할 때 더 심각해진다. 통상적인 해결책으로는 비용이 많이 드는 재작업이 있을 것이다. 이밖에도, 카드 어셈블리 중에 이들 칼럼 그리드 어레이 모듈은 취급 손상을 받을 수 있다. 그리고, 상호 접속 밀도가 증가함에 따라 솔더 칼럼 직경이 감소되어야 한다. 솔더 칼럼 직경의 감소는 이들 솔더 칼럼의 휨 강도를 감소시켜 이들에 대한 취급 손상이 증가하게 된다.
무연 솔더 시스템을 사용하는 종래 기술에서 알 수 있는 바와 같이, 이들 종래 기술 중 어느 것도 칩을 기판에 또는 기판을 보드에 접속하기 위한 논솔더 금속 상호 접속 세그먼트를 교시하지 않고 있다. 유사하게, 이들은 이러한 구리 칼럼 그리드 어레이를 칩 캐리어와 유기 카드에 접속하기 위해 고융점 및 저융점 솔더 합금의 사용과 조합하여 구리 코어를 가진 칼럼 어레이의 사용을 교시하지 않고 있다. 이들 고융점 및 저융점 솔더 합금은 유연 또는 무연 솔더 합금 중 어느 것으로부터도 선택될 수 있다. 더욱이, 본 발명은 종래 기술의 문제점을 회피하고 칼럼 그리드 어레이 접속이 있는 칩 캐리어의 대량 제조를 가능하게 하는 칼럼 그리드 어레이형 구조체에 관한 것이다.
본 발명은 고밀도 칼럼 그리드 어레이 접속을 위한 신규한 방법 및 구조에 관한 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 고밀도 칼럼 그리드 어레이 접속을 제공하는 구조 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 논솔더 금속 상호 접속체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 칩 캐리어와 전자 부품 간에 논솔더 금속 상호 접속체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 칩 캐리어와 전자 부품 간에 구리 상호 접속체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 납을 주성분으로 한 부착 솔더, 예컨대 기판 측에는 90/10 Pb/Sn을 카드 측에는 37/63 Pb/Sn 공융체(eutectic)를 사용하여 칩 캐리어와 전자 부품 간에 구리 상호 접속체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 카드와 기판 간에 구리 상호 접속체에 의한 안전한 접속을 제공하기 위해 무연 솔더, 예컨대 기판 측에는 주석/안티몬 합금을 카드 측에는 주석/은/구리 합금을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 한 가지 관점에서 본 발명은 제1 기판 상의 제1 패드와 제2 기판 상의 제2 패드 사이에 전기적 금속 상호 접속체를 구비하며, 상기 전기적 금속 상호 접속체는 논솔더 금속 물질로 이루어진다.
다른 양태에서, 본 발명은 기판에 상호 접속체를 고정시키는 방법을 포함하는데, 상기 상호 접속체의 최소한 50% 이상은 논솔더 금속 물질로 형성되고, 상기 방법은,
(a) 상기 상호 접속체의 일단부를 용제 처리하는 단계,
(b) 상기 상호 접속체의 상기 용제 처리된 단부를 상기 기판 상에 최소한 한 개의 솔더를 가진 패드 상에 위치시키는 단계,
(c) 상기 용제 처리된 단부 및 상기 패드 근처에서 실온으로부터 약 100 내지 약 300 ℃까지 승온시키고 상기 솔더를 재유동시킨 후에, 상기 상호 접속체가 실온이 되게 하여 상기 상호 접속체를 상기 기판에 고정시키는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 상호 접속체를 인쇄 회로 기판에 고정시키는 방법을 포함하는데, 여기서 상기 상호 접속체의 최소한 50% 이상은 논솔더 금속 물질로 형성되고, 상기 방법은,
(a) 상기 상호 접속체의 일단부를 용제 처리하는 단계,
(b) 상기 상호 접속체의 용제 처리된 단부를 상기 인쇄 회로 기판 상에 최소한 한 개의 솔더를 가진 패드 상에 위치시키는 단계,
(c) 상기 용제 처리된 단부 및 상기 패드 근처에서 실온으로부터 약 100 내지 300 ℃까지 승온시키고 상기 솔더를 재유동시킨 후에, 상기 상호 접속체가 실온이 되게 하여 상기 상호 접속체를 상기 인쇄 회로 기판에 고정시키는 단계를 포함한다.
또 다른 한 가지 양태에서, 본 발명은 상호 접속체를 제1 기판 및 제2 기판에 고정시키는 방법을 포함하는데, 여기서 상기 상호 접속체는 논솔더 금속 물질로 형성되고, 상기 방법은,
(a) 상기 상호 접속체의 제1 단부를 용제 처리하는 단계,
(b) 상기 상호 접속체의 용제 처리된 제1 단부를 상기 제1 기판상에 최소한 한 개의 제1 솔더를 가진 제1 패드 상에 위치시키는 단계,
(c) 상기 용제 처리된 제1 단부 및 상기 제1 패드 근처에서 실온으로부터 약 100 내지 약 300 ℃까지 승온시키고 상기 제1 솔더를 재유동시킨 후에, 상기 상호 접속체가 실온이 되게 하는 단계,
(d) 상기 상호 접속체의 제2 단부를 용제 처리하는 단계,
(e) 상기 상호 접속체의 용제 처리된 제2 단부를 상기 제2 기판 상에 최소한 한 개의 제2 솔더를 가진 제2 패드 상에 위치시키는 단계,
(f) 상기 용제 처리된 제2 단부 및 상기 제2 패드 근처에서 실온으로부터 약 100 내지 약 300 ℃까지 승온시키고 상기 제2 솔더를 재유동시킨 후에, 상기 상호 접속체가 실온이 되게 하여 상기 상호 접속체를 상기 제1 기판 및 제2 기판에 고정시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 신규한 특징과 본 발명의 특징적 요소는 첨부된 청구 범위에서 상세히 설명된다. 도면은 설명만을 목적으로 한 것이고 축척에 따라 도시되지 않았다. 이밖에도, 이들 도면에서 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타낸다. 본 발명 자체는 조직 및 동작 방법 양자에 관한 것이지만, 첨부 도면과 함께 상세한 설명을 참조하면 보다 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하는 것으로, 구리 칼럼(23)과 같은 논솔더 금속 칼럼(23)이 최소한 한 개의 고온 솔더 물질(14)를 사용하여 칩 캐리어 또는 기판(10) 상의 I/O 패드(12)에 접합되어 고밀도의 칼럼 구조를 만든다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 것으로, 도 1의 고밀도 칼럼 구조가 최소한 한 개의 저온 솔더 물질(24)를 사용하여 인쇄 회로 기판(PCB; 20)과 같은 제2 레벨 패키지 또는 기판(20) 상의 I/O 패드(22)에 접합된다. 논솔더 금속 칼럼(23), 예컨대 구리 칼럼(23)은 또한 최소한 1개의 얇은 금속 도금층(21)을 포함할 수 있다. 상기 도금층(21)은 통상 매우 얇고 바람직한 금속 물질은 주석이다. 그러나, 예컨대, 니켈, 1개 또는 그 이상의 주석층이 추가된 니켈, 주석-은, 주석-금 및 이들의 합금과 같은 추가적인 금속 도금층을 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 칩 캐리어(10)를 고융점 솔더 합금(14) 및 저융점 솔더 합금(24)으로 유기 카드 또는 보드(20)에 접합시키기 위해 기본적으로 가요성 구리 코어 칼럼(23)과 같은 논솔더 금속 구조체(23)의 어레이를 사용한다. 이 구리 칼럼(23)은 완전히 어닐링 처리되어, 유기 카드에 접합된 칩 캐리어가 제품의 수명 기간동안 통상 겪게 되는 다수의 열 피로 사이클을 받아들일 수 있도록 높은 연신율(延伸率)을 가지는 것이 좋다. 사용되는 저융점 솔더 합금 및 고융점 솔더 합금은 구리 코어 칼럼에 대응하는 것이 좋다. 구리 칼럼을 고정시키는 솔더 합금은 유연 솔더 합금 또는 무연 솔더 합금으로 만들어질 수 있다.
고밀도 칼럼 접속체(23)는 완전히 어닐링 처리되어 약 30%를 초과하는 연신율을 갖는 구리 칼럼 세그먼트(23)인 것이 좋다. 주석, 주석/은, 니켈 또는 니켈/주석 도금된 피막(21)과 같은 선택적인 피막(21)은 약 0.5 ㎛ 내지 4.0 ㎛의 두께를 가지는 것이 좋다. 그러나, 금속 세그먼트(23)의 직경과 길이, 그리고 이와 관련된 솔더 접합부 필렛(fillet)의 기하학적 형상은 모듈 기능 환경의 특정 응력 조건에 따라 최적의 피로 수명을 얻기 위해 맞춰질 수 있다. 대부분의 응용 분야에서 논솔더 칼럼(23)의 직경은 약 0.2 mm 내지 0.5 mm 사이에 있는 것이 좋다. 이것은 약 0.5 mm 내지 약 1.27 mm 피치를 갖는 논솔더 칼럼 어레이에 대한 일반적인 반경이 될 것이다.
PCB 또는 기판(20)이나 칩 캐리어(10)에 논솔더 칼럼(23)을 접합하기 위해, 납/주석(납 농도가 약 70 내지 90 중량%) 또는 팔라듐(palladium)이 도핑된 공융 납/주석과 같은 고융점 솔더가 사용될 수 있다.
무연 시스템을 위해, 솔더(14)는, 주석/안티몬(주석이 약 55 내지 약 95 중량%), 주석/은, 주석/은/구리(은과 구리가 약 0.5 내지 약 3.0 중량%), 주석/은/비스무스(은이 약 2.0 내지 약 4.5 중량%이고 비스무스가 약 3.5 내지 약 7.5 중량%), 주석/은/구리(은이 약 2.0 내지 약 4.5 중량%이고 구리가 약 0.5 내지 약 3.0 중량%)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
PCB 또는 카드(20)의 경우, 공융 납/주석 솔더(24)가 전통적으로 사용되어 왔다. 그러나, 무연 시스템의 경우, 솔더(24)는, 주석/안티몬(주석이 약 55 내지 약 95 중량%), 주석/은, 주석/은/구리(은과 구리가 약 0.5 내지 약 3.0 중량%), 주석/은/비스무스(은이 약 2.0 내지 약 4.5 중량%이고 비스무스가 약 3.5 내지 약 7.5 중량%), 주석/은/구리(은이 약 2.0 내지 약 4.5 중량%이고 구리가 약 0.5 내지 약 3.0 중량%), 주석/아연(주석이 약 91 중량%), 주석/비스무스(주석이 약 42 중량%)로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
순수 구리 코어(23)는 변형 특성을 최적화하기 위해 어닐링 처리될 수 있고, 선택적으로 니켈(즉, 약 0.5 내지 약 4.0㎛)과, 이어서 주석 피막(즉, 약 0.2 내지 0.5㎛)으로 피복될 수 있다.
논솔더 칼럼(23)을 I/O 패드(12)에 부착시키기 위해, 95/5 Sn/Sb 또는 Sn/Ag(Ag가 약 3 내지 약 5 중량%의 범위)를 사용할 수 있는데, 이들은 약 220 내지 약 240 ℃ 사이 범위에서 용융된다. 이것은 고온 무연 솔더 접합으로 된다.
논솔더 칼럼(23)을 PCB I/O 패드(22)에 부착시키기 위해, 48/52 Sn/In 또는 43/57 Sn/Bi을 사용할 수 있는데, 이들은 약 120 내지 140 ℃ 사이 범위에서 용융된다. 이것은 저온 무연 솔더 접합으로 된다.
이러한 형태의 솔더 접합 계층은 카드 어셈블리 중에 I/O 솔더 접합부(14)가 재유동할 위험성을 상당히 감소시킨다.
본 발명을 바람직한 특정 실시예에 관해 상세히 기술하였지만, 이 분야의 당업자에게 많은 변경, 수정 및 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 첨부된 청구 범위는 본 발명의 진정한 범위와 사상 내에 해당되는 그러한 변경, 수정 및 변형을 포함한다.
본 발명의 논솔더 금속 상호 접속체 및 상기 상호 접속체를 기판에 접합시키기 위한 솔더는 어셈블리 중 솔더 접합부가 취급 손상을 받거나 재유동할 위험성을 상당히 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 1개의 바람직한 실시예를 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 다른 1개의 바람직한 실시예를 도시한 도면.

Claims (19)

  1. 칩 캐리어 기판 상의 제1 패드와 유기 보드 상의 제2 패드를 접속시키는 전기적 금속 상호 접속 구조체로서,
    제1 단부와 제2 단부가 있고, 논솔더 금속 물질(non-solder metallic material)로 형성되며, 상기 제1 단부는 칩 캐리어 기판 상의 제1 패드에 접속되고 상기 제2 단부는 유기 보드 상의 제2 패드에 접속되고, 연신율(延伸率)이 30% 보다 큰 전기 도전성 칼럼과,
    상기 전기 도전성 칼럼의 제1 단부를 칩 캐리어 기판 상의 제1 패드에 결합시키는 제1 솔더 물질과,
    상기 전기 도전성 칼럼의 제2 단부를 유기 보드 상의 제2 패드에 결합시키는 제2 솔더 물질
    을 구비하고, 상기 제1 솔더 물질은 제1 용융 온도를 가지며, 상기 제2 솔더 물질은 상기 제1 용융 온도보다 작은 제2 용융 온도를 갖는 것인 전기적 금속 상호 접속 구조체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기적 금속 상호 접속 구조체의 최소한 50% 이상은 논솔더 금속 물질로 이루어지는 것인 전기적 금속 상호 접속 구조체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기 도전성 칼럼은 구리 세그먼트, 순수 구리 세그먼트 및 완전히 어닐링 처리된 구리 세그먼트로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 전기적 금속 상호 접속 구조체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전기 도전성 칼럼은 구리, 니켈 및 이들의 합금, 그리고 주석이 약 10 내지 약 20 중량% 범위에 있는 구리-주석 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함하는 것인 전기적 금속 상호 접속 구조체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전기 도전성 칼럼의 직경은 약 0.2 mm 내지 약 0.5 mm 인 것인 전기적 금속 상호 접속 구조체.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 상기 전기 도전성 칼럼의 적어도 일부에는 적어도 1개의 물질로 된 적어도 1개의 피막이 있는 것인 전기적 금속 상호 접속 구조체.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전기 도전성 칼럼의 적어도 일부에는 구리, 니켈, 은, 주석 및 이들의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1개의 물질로 된 적어도 1개의 피막이 있는 것인 전기적 금속 상호 접속 구조체.
  10. 제8항에 있어서, 상기 피막의 두께는 약 0.5 내지 약 4.0 ㎛ 인 것인 전기적 금속 상호 접속 구조체.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전기 도전성 칼럼은 솔더링 및 브레이징으로 이루어진 군으로부터 선택된 방법을 사용하여 상기 칩 캐리어 기판에 고정되는 것인 전기적 금속 상호 접속 구조체.
  12. 제10항에 있어서, 상기 전기 도전성 칼럼은 솔더링 및 브레이징으로 이루어진 군으로부터 선택된 방법을 사용하여 상기 유기 보드에 고정되는 것인 전기적 금속 상호 접속 구조체.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1 솔더 물질은 용융 온도가 약 200 ℃를 초과하는 합금이고, 상기 제2 솔더 물질은 용융 온도가 약 200 ℃ 미만인 합금인 것인 전기적 금속 상호 접속 구조체.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제1 솔더 물질은 주석/안티몬(주석이 약 55 내지 약 95 중량%), 주석/은, 주석/은/구리(은과 구리가 약 0.5 내지 약 3.0 중량%), 주석/은/비스무스(은이 약 2.0 내지 약 4.5 중량%, 비스무스가 약 3.5 내지 약 7.5 중량%), 주석/은/구리(은이 약 2.0 내지 약 4.5 중량%, 구리가 약 0.5 내지 약 3.0 중량%)로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 전기적 금속 상호 접속 구조체.
  17. 삭제
  18. 제1항에 있어서, 상기 제2 솔더 물질은 주석/안티몬(주석이 약 55 내지 약 95 중량%), 주석/은, 주석/은/구리(은과 구리가 약 0.5 내지 약 3.0 중량%), 주석/은/비스무스(은이 약 2.0 내지 약 4.5 중량%, 비스무스가 약 3.5 내지 약 7.5 중량%), 주석/은/구리(은이 약 2.0 내지 약 4.5 중량%, 구리가 약 0.5 내지 약 3.0 중량%), 주석/아연(주석이 약 91 중량%) 및 주석/비스무스(주석이 약 42 중량%)로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 전기적 금속 상호 접속 구조체.
  19. 제1항에 있어서, 상기 전기 도전성 칼럼의 직경은 균일한 것인 전기적 금속 상호 접속 구조체.
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