KR100546001B1 - 종방향 초음파를 이용한 전자부품의 솔더링 방법 - Google Patents

종방향 초음파를 이용한 전자부품의 솔더링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 칩(chip) 또는 기판(substrate)의 패드에 형성된 솔더 범프(solder bump)에 종방향 초음파를 인가하여 저온에서 솔더 접합부를 형성하는 종방향 초음파를 이용한 전자부품의 솔더링 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 솔더링 방법은 칩(200)의 패드(201)에 형성된 구형의 솔더 범프(210)를 기판(220)의 패드(221)와 정렬하고, 초음파 발진기(230)의 혼(horn ; 231)을 통해 칩(200)의 상부에 압력(P)과 종방향 초음파를 인가하여 솔더 범프(210)를 용융시킴으로써 칩(200)과 기판(220) 사이에 솔더 접합부를 형성하는 것이다. 따라서, 본 발명은 기존의 솔더링 방법과 비교하여 솔더 용융점 이하의 온도에서 종방향 초음파를 인가하여 솔더 접합부에만 국부적인 열을 발생시켜 칩과 기판의 회로를 저온에서 효율적으로 솔더링하는 효과가 있다.
솔더링, 초음파, 종방향, 히터, 전자부품, 언더필, 패드

Description

종방향 초음파를 이용한 전자부품의 솔더링 방법{Method for soldering electronic components using longitudinal ultrasonic vibration}
도 1은 횡방향 초음파를 이용한 종래 기술의 솔더링 방법을 설명하는 개략도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 종방향 초음파를 이용한 전자부품의 솔더링 방법을 설명하기 위한 개략도이며,
도 3은 본 발명에 따른 전자부품의 접합에 사용되는 비원형 형상의 패드를 이용한 전자부품의 솔더링 방법을 설명하기 위한 개략도이고,
도 4는 본 발명에 따른 전자부품의 접합에 사용되는 비원형 형상의 금속 범프와 솔더 범프를 이용한 전자부품의 솔더링 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
100, 200, 300, 400 : 칩 101, 201, 301 : 패드
110, 210, 302 : 솔더 범프 120, 220, 320, 420 : 기판
121, 221, 321, 421 : 패드 130, 230 : 초음파 발진기
231 : 혼 240 : 히터
250 : 언더필 322, 422 : 솔더 범프
401 : 금속 범프
본 발명은 전자부품들 사이의 전기회로를 연결하는 초음파 솔더링(ultrasonic soldering) 방법에 관한 것이며, 특히, 칩(chip) 또는 기판(substrate)의 패드에 형성된 솔더 범프(solder bump)에 종방향 초음파를 인가하여 저온에서 솔더 접합부를 형성하는 종방향 초음파를 이용한 전자부품의 솔더링 방법에 관한 것이다.
최근 반도체 칩의 입출력 단자수가 증가함에 따라 플립칩(flip-chip)과 같은 BGA(Ball Grid Array) 방식의 칩 형태가 많이 사용되는 추세이다. 하지만, 이러한 형태는 단락이나 결함 등의 불량이 발생하는 경우에 검사가 어렵고 신뢰성이 보장되지 않으며, 솔더링 공정 후에 유체 상태의 접착제를 불어넣어 언더필(underfill)을 형성하는 공정을 수행하기 때문에 공정이 복잡하고 생산성이 감소하는 단점이 있다.
또한, 현재 솔더링 공정에 주로 사용되는 솔더 재료는 납(Pb)과 주석(Sn)의 합금이지만, 납의 사용을 규제하는 추세에 따라 무연 솔더(Pb-free solder)로 대체하고 있다. 그러나, 이러한 무연 솔더는 기존의 솔더에 비해 용융 온도가 높고 신뢰성이 낮은 단점이 있다.
그리고, 현재 널리 사용되는 솔더링 공정으로는 리플로우(reflow) 솔더링, 웨이브(wave) 솔더링, 레이저(laser) 솔더링 등이 있고, 초음파 솔더링이 적용된 사례도 있다. 미국특허 제5,189,507호에는 전자부품(electronic component)들을 서로 연결하기 위한 매체로서 와이어를 이용하는 기술에 관해 공지되어 있으며, 미국특허 제6,163,463호에는 횡방향 초음파를 이용한 칩의 솔더링 방법이 공지되어 있다. 또한, 대한민국 공개특허공보 제98-87530호에는 단자의 솔더와 피복 도선을 초음파 접합하는 구조 및 방법이 공지되어 있다.
상기와 같은 공지기술 중에서 도 1에는 미국특허 제6,163,463호에 기술된 바와 같이 반도체 칩의 접합에 횡방향 초음파를 이용하는 솔더링 방법에 관한 기술이 개략적으로 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술의 솔더링 방법은 칩(100)의 패드(101)에 장착된 볼(ball) 형태의 솔더 범프(110)가 기판(120)의 패드(121)와 접촉한 상태에서 초음파 발진기(130)를 통해 일정 압력(P)의 횡방향 초음파를 인가하여 솔더 범프(110)와 기판(120)의 패드(121) 사이의 마찰에 의해 접촉면에서 접합부가 형성되도록 하는 것이다. 이러한 솔더링 방법은 압력(P)과 수직한 횡방향 초음파를 이용하는 것으로서, 칩과 기판을 서로 연결하는 와이어 본딩(wire bonding)의 원리를 응용한 것이다. 즉, 솔더링 방법은 와이어의 양 단부를 칩 또는 기판에 각각 맞닿게 한 상태에서 일정 압력을 가하면서 이러한 압력과 수직한 방향으로 초음파를 가해 각각 접합하는 와이어 본딩의 원리를 응용한 것이다. 이렇듯, 종래의 솔더링 방법은 모든 솔더 범프가 기판의 패드와 접촉된 상태에서 횡방향 초음파를 인가해야 하기 때문에, 솔더 범프와 기판 사이의 간격이 일정해야 하고, 적절한 접합 조건을 찾기 어려운 단점이 있다.
위와 같은 이유로, 신뢰성이 높은 솔더 접합부를 형성하는 효율적인 솔더링 방법이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 압력과 평행한 방향으로 가해지는 종방향 초음파를 이용하여 솔더 접합부에 국부적인 열을 발생시킴으로써 전자부품들의 회로를 저온에서 효율적으로 접합하는 솔더링 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 비원형 형상의 패드를 이용하여 전자부품들을 용이하게 정렬하면서 발열 효과를 증가시키고, 초음파 솔더링과 동시에 언더필을 형성하여 솔더링 공정의 생산성과 품질을 향상시키는 솔더링 방법을 제공하는 데 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 솔더링 방법은, 점탄성 재료로 구성된 점탄성 범프를 이용하여 전자부품들 간에 전기회로를 형성하는 것으로서, 적어도 한 쪽의 전자부품에 점탄성 범프가 형성된 상기 전자부품들의 패드를 서로 정렬하고, 상기 전자부품의 상부에 압력과 종방향 초음파를 인가하여 상기 점탄성 범프를 용융시킴으로써 상기 전자부품들 사이에 접합부를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 솔더링 방법은, 점탄성 재료로 구성된 점탄성 범프를 이용하여 전자부품들 간에 전기회로를 형성하는 것으로서, 전자부품에 형성된 금속 범프와 다른 전자부품의 패드에 형성된 점탄성 범프를 서로 정렬하고, 상기 전자부품 의 상부에 압력과 종방향 초음파를 인가하여 상기 점탄성 범프를 용융시켜 상기 금속 범프가 상기 점탄성 범프에 삽입되어 접합부를 형성하는 것을 특징으로 한다.
아래에서, 본 발명에 따른 종방향 초음파를 이용한 전자부품의 솔더링 방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 종방향 초음파를 이용한 전자부품의 솔더링 방법을 설명하기 위한 개략도이다. 도 2의 (a), (b)에 도시한 바와 같이, 본 발명은 종방향 초음파를 인가하는 초음파 발진기(230)와, 기판(220)의 하단에 설치되는 히터(240)를 이용하여 칩(200)과 기판(220)을 솔더링 하는 것이다.
본 발명의 솔더링 방법은, 칩(200)의 패드(201)에 형성된 구형의 솔더 범프(210)를 기판(220)의 패드(221)와 정렬하고, 초음파 발진기(230)의 혼(horn ; 231)을 통해 칩(200)의 상부에 압력(P)과 종방향 초음파를 인가하여 초음파 진동을 솔더 범프(210)에 전달한다. 이 때, 기판(220)의 하단에 설치된 히터(240)를 통해 일정 온도로 가열하여 기판(220)의 솔더 범프(210)를 연화시킴으로써 초음파 솔더링이 수월하게 이루어지도록 한다. 그리고, 상기 솔더 범프(210)는 항상 칩(200)의 패드(201)에 형성될 필요는 없으며, 칩(200) 또는 기판(220)의 패드(201, 221)의 적어도 어느 한 쪽 또는 양 쪽에 형성되어 있어도 무방하다.
일반적으로 사용되는 공정 솔더(eutectic solder)의 재료로는 63%Sn-37%Pb로 구성된 합금이 사용되는데, 이 합금은 그 용융온도가 대략 183℃ 이고, 일정한 점탄성 특성을 갖는다. 이런 조성비를 갖는 솔더 재료 이외의 솔더 재료도 그 정도는 다르지만 일정 점탄성을 갖는다. 따라서, 상기 조성비를 갖는 합금을 이용하는 리플로우 솔더링의 경우에는 히터를 통해 기판을 220℃ 까지 가열하여야 하지만, 본 발명의 솔더링 방법을 이용하면 히터(240)를 통해 기판(220)을 150℃ 이하로 가열하여도 접합부가 형성된다.
위와 같은 본 발명의 솔더링은 솔더 재료의 점탄성 변형에 의한 발열에 기인한다. 본 발명은 초음파 발진기(230)에서 발생하는 종방향 초음파 진동에 의해 솔더 범프(210)가 변형하고, 점탄성에 의한 솔더 내부의 발열량은 솔더 변형량의 자승에 비례하기 때문에, 점탄성 변형에 의해 솔더 범프의 내부에서 발생한 열로 인해 솔더 범프의 일부분이 용융되어 솔더 범프(210)와 기판(220)의 패드(221) 사이에 솔더 접합부를 형성하는 것이다. 그러므로, 본 발명의 종방향 초음파에 의한 발열은 솔더 범프(210)에만 국한되고 칩(200)과 기판(220)에 영향을 주지 않을 뿐만 아니라, 히터(240)를 이용하여 솔더를 용융점 이하의 온도로 가열하여도 솔더링이 가능하다. 이와 같은 특징은 용융점이 높은 무연 솔더(Pb-free solder)의 경우에 특히 유용하다.
그리고, 본 발명은 에폭시(epoxy)와 같은 접착제 성분의 언더필 소재를 칩(200) 및/또는 기판(220)의 표면에 미리 도포하고, 칩(200)에 부착된 솔더 범프(210)를 기판(220)의 패드(221)에 정렬한 상태에서 초음파 발진기(230)를 통해 종방향 초음파를 인가함으로써, 초음파 솔더링 작업과 동시에 언더필(250)이 형성되도록 할 수도 있다. 이러한 언더필(250)은 칩(200)과 기판(220) 사이에 형성되기 때문에, 용융된 솔더가 과다하게 퍼지는 것을 차단하고 그로 인해 단락 등의 불량이 발생하는 것을 근본적으로 방지할 수 있다. 이렇듯, 본 발명은 초음파 솔더 링과 언더필 형성 작업을 동시에 수행할 수 있으므로 생산성을 향상시키는 장점이 있다.
도 3은 본 발명에 따른 전자부품의 접합에 사용되는 비원형 형상의 패드를 이용한 전자부품의 솔더링 방법을 설명하기 위한 개략도이다. 도 3의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명은 칩(300)과 기판(320)의 표면에 직사각형 형상의 패드(301, 321)를 각각 가공 형성하고, 이러한 패드(301, 321) 위에 솔더 범프(302, 322)를 각각 형성한다. 그런 다음, 칩(300)과 기판(320)의 패드(301, 321)를 십자 형태를 정렬하고, 칩(300)의 상부면에 압력과 종방향 초음파를 인가하여 상기와 동일한 원리로 솔더 접합부를 형성하는 것이다.
상기와 같이 직사각형과 같은 비원형 형상의 패드(301, 321)를 사용하면 원형 패드에 비해 칩(300)과 기판(320)의 정렬을 수월하게 할 수 있고, 솔더 범프(302, 322) 사이의 비원형 접합면의 길이 방향으로 솔더의 변형량이 크게 증가한다. 즉, 원형 패드의 경우에는 반경 방향으로 일정한 변형량이 균일하게 발생하지만, 비원형 패드의 경우에는 특정 방향으로 큰 변형량이 발생하고, 솔더의 점탄성에 의한 발열량은 변형량의 자승에 비례하기 때문에 솔더의 온도를 효율적으로 증가시키는 장점이 있다. 이 때, 패드의 형상은 직사각형으로 국한되지 않고, 타원형을 포함한 다양한 비원형 형상의 패드를 사용할 수 있으며, 또한 비원형 패드와 원형 패드의 조합으로 사용할 수도 있다.
도 4는 본 발명에 따른 전자부품의 접합에 사용되는 비원형 형상의 금속 범프와 솔더 범프를 이용한 전자부품의 솔더링 방법을 설명하기 위한 개략도이다. 도 4의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명은 칩(400)에 형성된 구리(Cu) 또는 금(Au) 등과 같은 전도성 재질의 금속 범프(401)와 기판(420)의 패드(421)에 형성된 솔더 범프(422)를 십자 형태로 정렬하고, 칩(400)의 상부면에 압력과 종방향 초음파를 인가하여 솔더 접합부를 형성할 수도 있다. 즉, 본 발명은 종방향 초음파에 의해 솔더 범프(422)가 용융되면서 금속 범프(401)가 솔더 범프(422)에 삽입되어 솔더 접합부를 형성하는 것이다. 이 때, 금속 범프와 솔더 범프의 형상은 직사각형으로 국한되지 않고, 타원형을 포함한 다양한 비원형 형상의 범프를 사용할 수 있으며, 또한 비원형 범프와 원형 범프의 조합으로 사용할 수도 있다.
또한, 본 발명은 상술한 바와 같이 전자부품의 일부 소재인 칩과 기판 사이의 전기회로를 연결하는 기능뿐만 아니라, MEMS(micro electro mechanical system)와 같은 미세 부품의 접합과 광 패키징 등에도 적용이 가능하다. 또한, 본 발명은 솔더 이외에 점탄성을 갖는 다양한 재료를 사용하여 접합부를 형성할 수도 있다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 종방향 초음파를 이용한 전자부품의 솔더링 방법은 기존의 솔더링 방법과 비교하여 솔더 용융점 이하의 온도에서 종방향 초음파를 인가하여 솔더 접합부에만 국부적인 열을 발생시켜 전자부품들의 회로를 저온에서 효율적으로 솔더링하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 초음파 솔더링과 동시에 언더필을 형성하여 솔더링 공정의 생산성을 향상시키고 단락 등의 불량 발생을 방지하여 품질을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 직사각형과 같은 비원형 패드에 솔더 범프를 형성하고 십자 형상으로 정렬하여 초음파 솔더링을 함으로써 전자부품들의 정렬이 용이하고 발열 효과가 증가되어 효율적으로 솔더링하는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 종방향 초음파를 이용한 전자부품의 솔더링 방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구의 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 점탄성 재료로 구성된 점탄성 범프를 이용하여 전자부품들 간에 전기회로를 형성하는 솔더링 방법으로서,
    적어도 한 쪽의 전자부품에 점탄성 범프가 형성된 상기 전자부품들의 패드를 서로 정렬하고, 상기 전자부품의 상부에 압력과 종방향 초음파를 인가하여 상기 점탄성 범프를 용융시킴으로써 상기 전자부품들 사이에 접합부를 형성하되,
    상기 패드들은 비원형 형상의 패드이고, 상기 비원형 패드들을 서로 정렬하여 접합하는 것을 특징으로 하는 종방향 초음파를 이용한 전자부품의 솔더링 방법.
  4. 점탄성 재료로 구성된 점탄성 범프를 이용하여 전자부품들 간에 전기회로를 형성하는 솔더링 방법으로서,
    적어도 한 쪽의 전자부품에 점탄성 범프가 형성된 상기 전자부품들의 패드를 서로 정렬하고, 상기 전자부품의 상부에 압력과 종방향 초음파를 인가하여 상기 점탄성 범프를 용융시킴으로써 상기 전자부품들 사이에 접합부를 형성하되,
    상기 패드들 중 한 쪽은 비원형 형상의 패드이고, 다른 쪽은 원형 형상의 패드이며, 상기 패드들을 서로 정렬하여 접합하는 것을 특징으로 하는 종방향 초음파를 이용한 전자부품의 솔더링 방법.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 점탄성 범프를 가열장치를 통해 가열한 상태에서 접합하는 것을 특징으로 하는 종방향 초음파를 이용한 전자부품의 솔더링 방법.
  6. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    적어도 한 쪽의 상기 전자부품의 패드 형성 표면에 언더필 재료를 도포한 상태에서 상기 전자부품들의 패드를 서로 정렬하고 상기 종방향 초음파를 인가하여 접합하는 것을 특징으로 하는 종방향 초음파를 이용한 전자부품의 솔더링 방법.
  7. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    상기 점탄성 범프는 솔더 범프인 것을 특징으로 하는 종방향 초음파를 이용한 전자부품의 솔더링 방법.
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