KR100516762B1 - 솔더 도금법을 이용한 ｃ2ｂｇａ 인쇄회로기판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 솔더 도금법을 이용한 C2BGA 인쇄회로기판의 제조방법에 관한 것으로, 도통홀이 형성된 베이스 기판에서 칩이 실장될 부분에 캐비티를 형성하는 단계; 상기 베이스 기판의 표면과 도통홀의 내벽을 Cu 도금하는 단계; 상기 기판에 외층 회로 형성을 위한 드라이 필름 패턴을 형성하는 단계; 상기 기판을 에칭하는 단계; 상기 드라이 필름을 박리하는 단계; 포토 솔더 레지스트층을 형성하는 단계; 금속 도금에 의해 상기 기판을 표면처리하는 단계; 방열판의 솔더 패드를 형성하기 위한 부분을 제외한 나머지 부분에 드라이 필름을 마스킹하는 단계; 상기 솔더 패드 형성부에 솔더 도금하는 단계; 상기 드라이 필름을 제거하는 단계; 및 리플로우 공정에 의해 상기 기판과 방열판을 부착하는 단계를 포함하며, 본 발명에 따라 솔더 도금법을 이용하여 방열판을 부착함으로써, 솔더 패드의 위치 정밀도 및 높이 제어 문제를 해결하여 신뢰성의 향상을 제공할 수 있다.

Description

솔더 도금법을 이용한 Ｃ2ＢＧＡ 인쇄회로기판의 제조방법{METHOD FOR MANUFATUREING C2BGA PRINTED CIRCUIT BOARD USING SOLDER PLATING}

본 발명은 반도체 칩의 동작시 발생되는 열의 방출을 극대화시키기 위하여 방열판(heat sink)을 부착하는 C2BGA 패키지 기판의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 솔더 도금법을 이용하여 방열판을 부착하는 C2BGA(Conducted Cooled Ball Grid Array) 패키지 기판의 제조방법에 관한 것이다.

전자산업이 점점 더 고도화되고 있는 추세에 발맞추어 전자제품의 소형화, 대용량화하기 시작했고, 이에 따른 IC 칩의 발달로 I/O 카운트(Count)가 증가하게 되었다. 반도체의 I/O 카운트가 증가하게 되면 이를 구동시킬 때에 I/C 칩에서 많은 열이 발생하게 된다. 이를 해결하기 위하여 기존에는 팬(Fan)을 부착시켰는데, 이는 전자제품의 소형화에 걸림돌이 되기 때문에 새로운 패키지 형태를 찾게 되었다. 이를 위하여 고안된 패키지가 일반 패키지에 방열판 역할을 하는 Cu 금속을 부착시킨 S-BGA(Super-BGA) 기판 및 E-BGA(Enhanced-BGA) 기판인데, I/C 칩에 직접 금속이 부착되어 발생하는 열을 외부로 방출시킬 수가 있다.

그러나 S-BGA(Super-BGA) 기판 및 E-BGA(Enhanced-BGA) 기판은 열 방출 성능 및 신뢰성은 우수하나 제조공정이 복잡하고, 미세한 패턴의 회로 형성이 어려우며, CSP(Chip Scale Package)에도 적용이 어려운 상황이다. 이에 따라 제조원가가 상승하기 때문에 부품(Assembly) 업체에서는 우수한 열적 성능과 신뢰성을 바탕으로 하고, 비용이 낮은 BGA 기판을 고려하게 되었다. 이러한 조건을 만족시키는 기판이 C2BGA(Coducted Cooled Ball Grid Array) 기판이다.

C2BGA는 일반 기판 제조 공정과 같으며 방열판을 붙여주기 위하여 솔더 페이스트(solder paste)를 사용하고, 일반 SMT와 같이 소위 리플로우(reflow) 공정을 통하여 방열판을 기판에 붙여주는 제품이다. 이러한, C2BGA는 미세 회로패턴 형성이 가능하고, 제조 공정이 일반 기판과 유사하며, 방열 특성 또한 우수한 패키지이다.

일반적으로, 방열판 부착형 BGA 반도체 패키지의 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 PCB기판(20)의 반도체 칩(60)이 장착되는 부분에 캐비티(10: Cavity)가 형성되어 있고, 상기 PCB기판(20)의 저면에는 방열판(50)이 부착되며, 상기 방열판(50)의 상면에 직접 반도체 칩(60)을 부착하고, 상기 방열판(50)이 부착되지 않은 PCB기판(20) 저면에는, 다수의 솔더볼(70)이 부착된 구조로서 상기 방열판(50)에 의해 열방출의 효과를 극대화시킬 수 있도록 되어 있다.

이와 같이, 방열판(50)을 PCB기판에 부착시키는 방법으로 종래의 C2BGA 패키지의 제조방법이 도 2a 내지 2m에 도시되어 있다.

도 2a는 베이스 기판인 CCL(201)에 복수의 도통홀(203)을 가공한 인쇄회로기판의 단면도이다.

도 2b에서, 기판의 중심에 캐비티(204)를 형성한다. 캐비티(204)의 직경은 3㎜ 내지 1㎝이다.

도 2c에서, Cu(205)를 상기 베이스 기판의 표면과 상기 도통홀의 내벽에 도금한다.

도 2d에서, 상기 캐비티의 내벽을 제외한 기판 전체에 드라이 필름(206)을 도포하고 노광 및 현상한다. 이 드라이 필름은 도금 레지스트 역할을 하게 된다.

도 2e에서, Au 도금을 행한다. 드라이 필름(206)이 도포된 부분에는 도금층이 형성되지 않고 나머지 부분에만 Au 도금층(207)이 형성된다.

도 2f에서, 드라이 필름 패턴을 노광, 현상에 의해 형성하여 외층의 회로 형성을 위한 에칭 레지스트 패턴을 형성한다.

도 2g에서, 에칭을 하게 되면, 에칭 레지스트가 없는 부분만 부식되어 회로 패턴이 형성되고, 이때 Au 도금층(207)도 부식되지 않고 남게 된다.

도 2h에서, 드라이 필름을 박리하면 회로 패턴이 완성된다.

도 2i에서 다른 기판이나 칩과 접속될 부분을 제외한 나머지 부분에 포토 솔더 레지스트(209;PSR) 패턴을 형성한다. 이때, 이후 방열판 부착을 위한 리플로우시 솔더 패드의 솔더 확산을 방지하기 위한 흐름방지용 솔더 레지스트(210)도 함께 형성한다.

상기 흐름방지용 솔더 레지스트(210)는 이후 리플로우 공정시 가열에 의해 솔더 패드가 액상으로 변할 때, 상기 솔더가 캐비티 방향으로 확산되어 반도체 칩이 장착되는 캐비티의 벽으로 흘러들어 접착되는 것을 방지하게 된다. 이는 반도체 칩과 캐비티의 치수 공차가 매우 작기 때문에, 상기와 같은 솔더 확산에 의해 캐비티 벽에 솔더가 접착되면, 반도체 칩의 장착에 어려움을 야기하게 된다.

또한, 방열판 부착을 위한 솔더 패드가 상기와 같이 리플로우 공정에 의해 액상으로 변하여 옆으로 확산되면, 솔더 패드의 지정된 높이를 형성하지 못하고 옆으로 확산되어 버리게 되는 것이므로, 방열판 부착시 높이 문제를 야기하게 된다.

여기에, 도 2j에서, Ni/Au(211)를 도금하면, 상기 포토 솔더 레지스트 패턴이 도금 레지스트로 작용하여 다른 기판이나 칩과 접속될 부분에만 Ni/Au가 도금된다.

여기에, 도 2k에서, 금속 마스크(214)를 사용하여 솔더 패드가 형성될 부분(212)에 솔더 페이스트(215)를 인쇄한다.

도 2l에서, 상기 솔더 페이스트(215)는 기판에 인쇄되어 방열판 부착을 위한 솔더 패드(216)를 형성하게 된다.

도 2m에서, 방열판(100)에 흑화처리 등의 표면처리를 실시한 후, 상기 방열판(100)을 마운팅 장비(미도시)로 기판 상에 실장한 후, 리플로우 공정에 의해 기판과 방열판(100)을 붙임으로써 종래의 C2BGA 패키지가 완성된다.

이때, 상기 리플로우 공정시 발생하는 열에 의한 방열판 부착용 솔더 패드(216)의 솔더 확산(도 m에서의 화살표 방향)은 상기 흐름 방지용 솔더 레지스트(210)에 의해 방지된다.

그러나, 이러한 종래 C2BGA 패키지의 금속 마스크를 사용한 방열판 접착 방식은 위치 정밀도 면에서 ±200㎛정도의 오차가 있기 때문에 방열판 실장 후 리플로우시 솔더 패드(216)가 원하는 부분이외에 접착되는 현상이 발생하여 솔더 패드(216)의 위치 정밀도가 떨어지고, 솔더 패드(216)의 높이가 금속 마스크의 두께에 따라 달라지기 때문에 높이 정밀도 면에서 ±30㎛ 오차가 발생하여 높이 조절이 어려운 단점이 있다.

이에 본 발명에서는 전술한 문제점을 해결하고자, C2BGA 패키지의 방열판 부착 공정시 발생되는 솔더 패드의 위치 정밀도 및 높이 제어 문제를 해결하기 위하여, 솔더 도금법을 이용하여 방열판을 부착하는 방법을 제공함으로써, 제품의 신뢰성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명은 솔더 도금법을 이용한 C2BGA 인쇄회로기판의 제조방법으로, 도통홀이 형성된 베이스 기판에서 칩이 실장될 부분에 캐비티를 형성하는 단계; 상기 베이스 기판의 표면과 도통홀의 내벽을 Cu 도금하는 단계; 상기 기판에 외층 회로 형성을 위한 드라이 필름 패턴을 형성하는 단계; 상기 기판을 에칭하는 단계; 상기 드라이 필름을 박리하는 단계; 포토 솔더 레지스트층을 형성하는 단계; 금속 도금에 의해 상기 기판을 표면처리하는 단계; 방열판의 솔더 패드를 형성하기 위한 부분을 제외한 나머지 부분에 드라이 필름을 마스킹하는 단계; 상기 솔더 패드 형성부에 솔더 도금하는 단계; 상기 드라이 필름을 제거하는 단계; 및 리플로우 공정에 의해 상기 기판과 방열판을 부착하는 단계를 포함한다.

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본 발명에 따른 상기 Cu 도금 후에, 상기 캐비티의 내벽을 제외한 기판 전체에 드라이 필름을 도포하는 단계; 및 상기 캐비티의 내벽에 Au 도금하는 단계를 더 포함하는 것을 특징한다.

본 발명에 따른 상기 포토 솔더 레지스트층 형성 단계는, 솔더 패드의 솔더 확산 방지를 위한 흐름방지용 솔더 레지스트를 동시에 형성하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 금속도금에 의한 표면처리단계에서 사용되는 금속의 재질은 Ni/Au 인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 부착 단계 이전에 상기 열방출을 위한 방열판에 표면처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 인쇄회로기판과 방열판 부착 후 솔더 패드의 위치 오차는 ±50㎛인 것이 바람직하다.

또한, 상기 인쇄회로기판과 방열판 부착 후 솔더 패드의 높이 오차는 ±15㎛인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 3a 내지 3n에는 본 발명에 따른 방법이 도시되어 있다.

도 3a는 베이스 기판인 CCL(301)에 복수의 도통홀(303)을 가공한 인쇄회로기판의 단면도이다.

도 3b에서, 기판의 중심에 캐비티(304)를 형성한다. 통상적으로, 캐비티의 직경은 3㎜ 내지 1㎝이다.

도 3c에서, Cu(305)를 상기 베이스 기판의 표면과 상기 도통홀의 내벽에 도금한다.

도 3d에서, 상기 캐비티의 내벽을 제외한 기판 전체에 드라이 필름(306)을 도포하고 노광 및 현상한다. 이 드라이 필름은 도금 레지스트 역할을 하게 된다.

도 3e에서, Au 도금을 행하며, 드라이 필름(306)이 도포된 부분에는 도금층이 형성되지 않고 나머지 부분에만 Au 도금층(307)이 형성된다.

이후, 외층 회로 형성을 위한 패턴 형성을 위해 상기 드라이 필름에 에칭을 하게 될 때, 상기 Au 도금층(307)도 에칭 레지스트 역할을 하여 캐비티의 내벽을 보호하게 된다. 통상적으로 Au 도금 표면은 화학적, 물리적으로 내구성, 내약품성 등이 강하여 구조적으로 안정한 레지스트로서의 역할을 충분히 수행할 수 있다. Au 도금 마스킹은 에칭 용액 등 많은 화학 약품에도 견고하게 남아 캐비티 벽면에 에칭 용액의 공격을 받지 않게 되는 것이다.

도 3f에서, 드라이 필름 패턴을 노광, 현상에 의해 형성하여 외층의 회로 형성을 위한 에칭 레지스트 패턴을 형성한다.

에칭 레지스트 패턴은, 설계된 회로 패턴이 인쇄된 아트워크 필름을 접착시키고 여기에 자외선을 조사하여 형성한다.

자외선을 조사하면, 아트워크 필름의 인쇄되지 않은 부분의 드라이 필름은 자외선에 의해 경화되고, 인쇄된 부분의 드라이 필름은 자외선이 통과하지 않아서 경화되지 않는다. 여기에 현상액으로 경화되지 않은 부분의 드라이 필름을 제거하면 경화된 부분의 드라이 필름만 남아서 에칭 레지스트 패턴이 형성된다.

도 3g에서, 에칭을 하게 되면, 에칭 레지스트가 없는 부분만 부식되어 회로 패턴이 형성되고, 이때 Au 도금층(307)도 부식되지 않고 남게 된다.

도 3h에서, 드라이 필름을 박리하면 회로 패턴이 완성된다. 박리액으로는 NaOH 또는 KOH가 사용된다.

도 3i에서 다른 기판이나 칩과 접속될 부분을 제외한 나머지 부분에 포토 솔더 레지스트(309;PSR) 패턴을 형성하고, 이때, 이후 방열판 부착을 위한 리플로우시 솔더 패드의 솔더 확산을 방지하기 위한 흐름방지용 솔더 레지스트(310)도 함께 형성한다.

여기에, 도 3j에서, Ni/Au(311)를 도금하면, 상기 포토 솔더 레지스트 패턴이 도금 레지스트로 작용하여 다른 기판이나 칩과 접속될 부분에만 Ni/Au가 도금된다. Ni/Au 도금은 기판에 대한 최종적인 마무리 처리로서, 솔더 레지스트로 덮이지 않고 노출된 동박부위가 산화되는 것을 방지하고, 실장되는 부품의 납땜성을 향상시키며, 좋은 전도성을 부여하기 위한 것이다. 먼저 Ni을 도금하고나서, Au를 도금한다.

도 3k에서, 방열판 부착을 위해 솔더 패드가 형성될 부분(312)만 제외한 나머지 부분에 드라이 필름(313)을 마스킹 한다. 이 드라이 필름은 솔더 도금 레지스트 역할을 하게 된다.

상기 드라이 필름은 감광성 박막 필름으로써 15㎛∼30㎛ 두께를 사용한다.

도 3l에서, 솔더 도금한다. 이때, 상기 드라이 필름(313)이 도금 레지스트로 작용하여 솔더 패드 형성부(312)에만 솔더가 도금된다.

이때, 상기 솔더 도금은 도금 인입선을 통한 전해 솔더 도금법을 사용하나, 도금 인입선이 없는 경우에는 무전해 솔더 도금법을 사용할 수 있으며, 도금되는 솔더의 두께는 30㎛∼50㎛이다. 또한, 기판 상에서 상기 솔더 도금은 적용 제품에 따라 상기 드라이 필름보다 더 높게 형성될 수도 있다.

도 3m에서, 상기 솔더 도금 이후, 드라이 필름(313)을 박리액을 사용하여 제거한다.

도 3n에서, 방열판(100)에 흑화처리 등의 표면처리를 실시한 후, 상기 방열판(100)을 마운팅 장비(미도시)로 기판 상에 실장한 후, 리플로우 공정에 의해 기판과 상기 방열판(100)을 부착한다.

이때, 상기 리플로우 공정시 발생하는 열에 의한 방열판 부착용 솔더 패드(316)의 솔더 확산(도 3n에서의 화살표 방향)은 상기 흐름 방지용 솔더 레지스트(310)에 의해 방지된다.

이와 같이, 반도체 칩의 동작시 발생되는 열의 방출을 극대화시키기 위하여 방열판(heat sink)을 부착하는 C2BGA 패키지 기판의 제조방법에 있어서, 솔더 도금법을 이용하여 방열판을 부착함으로써, 솔더 패드의 위치를 보다 정확하게 조정할 수 있고, 도금 공법을 이용하기 때문에 솔더 패드의 높이 또한 보다 정밀해 질 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 솔더 도금법을 이용한 C2BGA 인쇄회로기판의 방열판 부착방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위는 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위의 해석에 의해 한정되는 범위까지 한정된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 솔더 도금법을 이용한 C2BGA 인쇄회로기판의 제조방법은 반도체 칩의 동작시 발생되는 열의 방출을 극대화시키기 위하여 방열판을 접착시켜 C2BGA 반도체 패키지를 제조하는 공정에 있어서, 솔더 도금법을 이용하여 방열판을 부착함으로써, 솔더 패드의 위치 정밀도 및 높이 제어 문제를 해결하여 신뢰성의 향상을 제공할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 솔더 도금에 의한 방열판 접착부 형성은 종래의 접착부 형성 방식이 작업자의 육안으로 그 위치가 결정되는 반면, 본 발명은 드라이 필름을 적용하기 때문에 솔더 패드 위치 오차가 종래 ±200㎛에서 ±50㎛로 위치 정밀도 향상을 가능하게 한다.

또한, 종래의 금속 마스크를 사용한 방열판 접착 방식은 솔더 패드의 높이가 금속 마스크의 두께에 따라 달라지지만, 본 발명은 도금 공법에 의하여 조절하기 때문에 솔더 패드의 높이 오차가 종래 ±30㎛에서 ±15㎛로 솔더 패드 높이를 보다 정밀하게 제어할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 방열판 부착형 BGA 패키지 기판을 예시하는 도면이고,

도 2a 내지 2l은 종래 C2BGA 패키지 기판의 제조방법을 나타내는 도면이며,

도 3a 내지 3n은 본 발명에 따른 솔더 도금법을 이용한 C2BGA 패키지 기판의 제조방법을 나타내는 도면이다.

◎ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ◎

10, 204, 304: 캐비티 20: 인쇄회로기판

50, 100: 방열판 60: 반도체 칩

70: 솔더볼 201, 301: CCL

203, 303: 도통홀

205, 305: 제1 도금층(Cu 도금층)

206, 306, 313: 드라이 필름

207, 307: 제1 도금층(Au 도금층)

209, 309: 포토 솔더 레지스트

211, 311: 제2 도금층(Ni/Au 도금층)

214: 금속 마스크 215: 솔더 페이스트

216, 316: 솔더 패드

Claims (10)

1. 도통홀이 형성된 베이스 기판에서 칩이 실장될 부분에 캐비티를 형성하는 단계;

   상기 베이스 기판의 표면과 도통홀의 내벽을 Cu 도금하는 단계;

   상기 기판에 외층 회로 형성을 위한 드라이 필름 패턴을 형성하는 단계;

   상기 기판을 에칭하는 단계;

   상기 드라이 필름을 박리하는 단계;

   포토 솔더 레지스트층을 형성하는 단계;

   금속 도금에 의해 상기 기판을 표면처리하는 단계;

   방열판의 솔더 패드를 형성하기 위한 부분을 제외한 나머지 부분에 드라이 필름을 마스킹하는 단계;

   상기 솔더 패드 형성부에 솔더 도금하는 단계;

   상기 드라이 필름을 제거하는 단계; 및

   리플로우 공정에 의해 상기 기판과 방열판을 부착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 도금법을 이용한 C2BGA 인쇄회로기판의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 방열판의 솔더 패드를 형성하기 위한 부분을 제외한 나머지 부분에 마스킹하는 드라이 필름은 두께는 15㎛ 내지 30㎛ 인 것을 특징으로 하는 솔더 도금법을 이용한 C2BGA 인쇄회로기판의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 솔더 도금의 두께는 30㎛ 내지 50㎛ 인 것을 특징으로 하는 솔더 도금법을 이용한 C2BGA 인쇄회로기판의 제조방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 Cu 도금 후에, 상기 캐비티의 내벽을 제외한 기판 전체에 드라이 필름을 도포하는 단계; 및

   상기 캐비티의 내벽에 Au 도금하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 도금법을 이용한 C2BGA 인쇄회로기판의 제조방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 포토 솔더 레지스트층 형성 단계는, 솔더 패드의 솔더 확산 방지를 위한 흐름방지용 솔더 레지스트를 동시에 형성하는 것을 특징으로 하는 솔더 도금법을 이용한 C2BGA 인쇄회로기판의 제조방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 금속도금에 의한 표면처리단계에서 사용되는 금속의 재질은 Ni/Au 인 것을 특징으로 하는 솔더 도금법을 이용한 C2BGA 인쇄회로기판의 제조방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 부착 단계 이전에 상기 열방출을 위한 방열판에 표면처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 솔더 도금법을 이용한 C2BGA 인쇄회로기판의 제조밥법.
9. 제1항에 있어서,

   상기 인쇄회로기판과 방열판 부착 후 솔더 패드의 위치 오차는 ±50㎛인 것을 특징으로 하는 솔더 도금법을 이용한 C2BGA 인쇄회로기판의 제조방법.
10. 제1항에 있어서,

    상기 인쇄회로기판과 방열판 부착 후 솔더 패드의 높이 오차는 ±15㎛인 것을 특징으로 하는 솔더 도금법을 이용한 C2BGA 인쇄회로기판의 제조방법.