KR100599406B1 - 솔더제팅법을 이용한 다원계 솔더범프의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 (a) 제팅하고자 하는 다원계 솔더를 용융시키고 상기 용융된 솔더내에 함유된 일정 크기 이상의 불순물을 제거하는 단계; (b) 불순물이 제거된 다원계 솔더를 가열하여 솔더 조성내에 포함된 금속간 화합물을 용융시키는 단계; (c) 상기 솔더를 용융점 이상의 온도로 유지하고, 상기 솔더를 제팅하여 솔더범프를 형성하는 단계를 포함하는 다원계 솔더범프의 제조방법을 제공한다.

Description

솔더제팅법을 이용한 다원계 솔더범프의 제조방법{Preparation Method of Multicomponent Solderbumps Using Solderjetting}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 미세피치 Sn-Ag-X 삼원계 무연솔더 범프의 구조도

도 2는 본 발명에 사용된 솔더제팅장치의 제팅 헤드 주변의 사진

도 3a는 기존의 솔더제팅 공정 순서도

도 3b는 본 발명에 따른 솔더제팅 공정 순서도

본 발명은 전자부품의 실장에 사용되는 다원계 솔더범프의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융솔더내의 금속간 화합물을 제거하며, 물성의 개선을 위해 3원계 이상의 다원계 솔더범프를 자유롭게 제조하는 것이 가능한 다원계 솔더범프의 제조방법에 관한 것이다.

최근 들어 전자제품의 소형화와 전기적 고성능화를 위하여 접속 길이를 짧게 할 수 있는 플립칩 기술이 크게 대두되고 있다. 플립칩의 전기적인 접속을 위해 납/63주석, 주석-은, 주석-구리, 주석-은-구리(-비스무스) 등의 솔더 범프를 이용한 방법이 많이 이용되고 있다. 납/63주석 솔더의 경우 환경적인 문제로 납의 규제 방침에 따라 앞으로 주석을 기반으로 한 무연 솔더의 추세로 바뀌고 있으며, 순수한 주석 솔더 범프에 비해 은, 구리, 비스무스 등을 첨가한 무연 솔더 범프가 기계적 특성이 다소 우수하다는 결과가 많이 보고되고 있다. 이러한 무연 솔더 범프의 형성 공정으로는 크게 볼 접착 방식(Ball attachment), 스크린 프린팅(Screen/Stencil printing) 방식, 전해도금(Electroplating) 방식 등이 많이 사용되고 있다. 그러나 볼 접착 방식과 스크린 프린팅 방식은 각각 미세한 크기의 솔더 볼을 만들기가 어렵거나 페이스트(paste)의 빠짐성에 의한 미세 피치 대응의 어려움으로 인해 차세대 무연 솔더 범프의 형성방법으로는 문제점을 가지고 있다. 전해 도금 방식은 이 두 가지 방식에 비해 20∼30 ㎛ 대의 피치(pitch)를 갖는 솔더범프를 형성할 수 있지만, 첨가 원소의 표준 환원 전위의 차이로 인해 이원계 이상의 도금에서는 각 도금 용액의 농도와 도금조(bath)의 크기 및 상태, 시편의 위치 및 형태, 전극의 크기 및 형태 등에 따라 도금 조성 및 상태에 큰 영향을 받게 된다. 특히 차세대 무연 솔더로 많이 이용되고 있는 공정 주석-은, 공정 주석-구리 등의 솔더는 환원 전위의 차이가 비교적 크고 은 및 구리의 함량이 각각 3.5wt％, 0.7wt％밖에 되지 않아 조성을 정확하게 제어하는 데 상당한 어려움이 따른다. 삼원계 주석-은-구리의 경우는 이 현상이 더욱 두드러져 아직 전해 도금 방법으로 미세 피치 주석-은-구리의 삼원계 무연 솔더 범프를 형성한 예는 거의 찾아볼 수 없 다.

솔더액적제팅 (Solder droplet jetting) 방법은 잉크젯 프린터의 드롭-온-디멘드(Drop-on- demand) 방식을 이용한 새로운 솔더 범프 형성 방법이다. 이 방법은 용융 상태의 솔더에 일정한 질소 압력을 걸고, 미세한 관 사이를 통과하는 용융솔더에 전기적인 신호를 가함으로써 전압차이에 의해 구형의 솔더액적(Solder droplet)을 형성하고 이를 개별적으로 기판 위에 떨어뜨려 솔더범프를 형성하는 방법이다. 기판 위에 떨어진 구형에 가까운 형태의 솔더액적은 리플로우(reflow)를 거쳐 구형의 솔더범프로 된다. 이와 같은 솔더제팅 방법을 이용한 납/63주석 솔더의 형성공정 및 범프의 형성예가 수년간 연구되어 왔으며, 순수 주석솔더의 경우에도 용융 상태에서는 납/63주석 솔더와 제팅에 관련된 점도, 표면 장력 등의 물성이 거의 흡사하기 때문에 제팅 재료로서 사용될 수 있음이 알려졌다. 또한, 순수한 주석 솔더범프에 비해 은, 구리, 비스무스 등을 첨가한 무연 솔더범프가 기계적 특성이 우수한 것으로 보고되고 있지만, 차세대 무연솔더로 대두되고 있는 은, 구리, 비스무스 등을 포함한 주석-은, 주석-구리, 주석-은-구리, 주석-은-비스무스 등의 솔더는 용탕 내의 은, 구리, 비스무스 등의 첨가로 인하여 은-주석, 구리-주석 금속간 화합물이 수 마이크론 이상의 크기로 존재하기 때문에 제팅노즐(Jetting nozzle)을 막히게 할 소지가 있어 제팅이 되지 않는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기 종래기술이 가지는 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 솔더제팅시 용융솔더내의 금속간 화합물을 제거하고, 물성의 개선을 위하여 3원계 이상의 다원계 솔더범프를 자유롭게 형성할 수 있는 다원계 솔더범프의 제조방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 솔더제팅방법을 이용하여 다원계 솔더범프를 제조하는 방법에 있어서, (a) 제팅하고자 하는 다원계 솔더를 용융시키고 상기 용융된 솔더내에 함유된 일정 크기 이상의 불순물을 제거하는 단계; (b) 불순물이 제거된 다원계 솔더를 가열하여 솔더 조성내에 포함된 금속간 화합물을 용융시키는 단계; (c) 상기 솔더를 용융점 이상의 온도로 유지하고, 상기 솔더를 제팅하여 솔더범프를 형성하는 단계를 포함하는 다원계 솔더범프의 제조방법을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 바람직한 실시예로서 전자부품의 하부금속층에 형성된 다원계 솔더범프의 조성예가 도시되어 있다. 상기에서 전자부품은 통상적으로 인쇄회로기판에 장착되는 칩(chip)을 지칭하며, 전자부품의 하부금속층(UBM)은 솔더 범프의 최종 조성을 맞추기 위해 적어도 1종 이상의 금속층이 형성될 수 있다. 하부금속층의 예를 들면, Al층, Ti층(또는 TiW), 및 Ni층이 순차적층된 UBM을 들 수 있으며, 여기서 Al층은 실리콘 웨이퍼위에서 절연층 및 확산방지층의 기능을 수행하며, Ti또는 TiW 층은 구리 등과 접착력의 향상을 부여하는 기능을 수행하며, Ni는 솔더와의 젖음을 위한 층으로서 기능한다. 상기한 바와 같은 하부금속층의 구 조는 본 발명의 이해를 돕기 위한 하나의 예시에 불과한 것으로 이외에 다른 다양한 금속으로 구성되는 경우도 본 발명에 적용될 수 있음은 물론이다.

하부금속층의 상부에 형성될 수 있는 금속층은 솔더조성에 포함되기를 원하는 어떠한 금속성분도 포함할 수 있다. 예를 들어, 솔더에 주성분이외에 은, 구리, 비스무스, 인듐, 아연 등의 금속을 적어도 1종 이상 혼입시키고자 하는 경우 이와 같은 성분으로 구성되는 금속층을 하부금속층의 상부에 적어도 하나 이상 형성하면 된다. 금속층의 형성과정은 이미 다양한 방법으로 공지되어 있다. 예를 들어 스퍼터링과 같은 증착방법이 이용될 수 있으며, 단일 금속층 또는 2중 이상의 금속층을 하부금속층의 상부에 증착한 후에 패터닝 공정과 식각공정을 통해 형성될 수 있다. 스퍼터링에 의한 증착공정, 패터닝공정 및 식각공정의 구체적인 내용은 이미 잘 알려져 있는 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 사용되는 솔더는 특별히 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 무연 주석계 솔더가 좋다. 솔더의 조성은 주석이외에 기계적 특성을 비롯한 제반 물성을 개선하기 위하여 다른 금속을 더 포함한다. 여기에 포함될 수 있는 금속의 예를 들면, 은, 구리, 비스무스, 인듐, 아연 등이며, 바람직하게는 상기 솔더조성은 주석-은, 주석-구리의 이성분계, 내지는 주석-은-X(X는 구리, 비스무스, 인듐, 아연에서 선택)의 삼성분계를 포함한다.

솔더가 주성분인 주석이외에 예를 들어, 은을 더 포함하는 경우 하부금속층에는 구리 또는 비스무스층을 형성하는 것으로 주석-은-구리(또는 비스무스)의 3원계 조성을 가지는 무연 솔더범프를 형성할 수 있다. 하부금속층 위에 형성되는 금 속층의 두께는 패드의 크기와 솔더범프의 크기에 따라 적절히 조절함으로써 최종 솔더범프의 조성을 맞출 수 있다. 다만, 솔더 범프 내로 혼입되는 은, 구리 등의 원소들은 하부금속층의 가장 위쪽 표면에 위치하여야 하며, 하부금속층을 구성하는 금속성분 가운데 솔더 범프 내로 혼입될 필요가 없는 원소들은 은, 구리 등의 금속층 아래에 위치하게 된다. 이 때 주의하여야 할 것은, 은, 구리 등의 금속층은 솔더 범프 내로 완전히 녹아들어가게 해야 하며, 이를 위해서 적절한 두께로 은, 구리 등의 층을 형성하여야 한다. 또한 은, 구리 등의 층 아래의 금속층은 솔더 범프 내로 혼입되어서는 안되므로, 은, 구리 등의 층 아래에 미리 금, 팔라듐 등의 층을 형성하여 은, 구리 등이 모두 솔더 범프내로 혼입되어 소모된다고 하더라도, 나머지 금속층에서 가능한 솔더 범프 내로의 혼입되는 양을 최소화하는 것이 좋다.

솔더의 필터링 단계는 솔더를 소정 온도로, 예를 들면 주석계 무연솔더의 경우 용융점보다 높은 250℃ 정도에서 용융시킨 후 적절한 크기의 필터 (예를 들어 5mm 필터)를 사용하여, 이보다 큰 입자를 걸러내는 과정으로 수행될 수 있다.

필터링을 거친 솔더는 제팅장치에 구비된 솔더보관소(solder reservoir)에 주입되어지며, 이때 솔더보관소의 온도를 금속간 화합물의 용융점 이상의 온도, 예를 들어 주석-은, 주석-구리의 경우 바람직하게는 500℃가량으로 유지할 필요가 있다. 이후 솔더제팅시까지는 다시 솔더를 응고시키지 않도록 하는 것이 요구된다. 만일 솔더제팅시까지 온도가 솔더의 융점이하로 냉각되어 용융솔더가 재응고되는 경우에는 금속간 화합물이 생성되어 바람직하지 않다. 이를 위해 안전하게는 솔더의 녹는점 보다 높은 온도, 바람직하게는 20∼30℃ 높은 온도 정도로 냉각을 시키 는 것이 좋다.

도 2는 본 발명에 사용될 수 있는 솔더제팅장치의 제팅 헤드 주변의 사진으로서, 이를 참조하여 솔더제팅방법을 보다 상세하게 설명한다. 사진의 가운데 보이는 원통형의 제팅헤드(Jetting head) 내에는 용융솔더가 담긴 솔더보관소가 위치하며, 이는 히터를 통해 솔더의 녹는점 이상으로 가열된다. 또한 제팅헤드의 위쪽으로는 질소가스가 투입되며, 이를 통해 일정한 압력을 용융솔더에 가하게 되면 용융솔더가 하방으로 힘을 받게 된다. 제팅헤드의 아래쪽 부분에는 제팅노즐이 삽입되어 있으며, 이 노즐에는 압전소자가 들어 있어 압력을 가하면 팽창하고, 다시 압력을 제거하면 원래상태로 되돌아오게 된다. 일정한 전기적인 신호에 의해 전압을 가했다가 제거하게 되면 이는 소자 내부의 솔더에 물리적인 압력을 제공하게 되고, 이에 따라 소자의 부피팽창과 회복과정을 통해 부피의 변화량 만큼의 구형의 용융솔더가 노즐밖으로 빠져나오게 된다. 사용되는 노즐의 직경은 요구되어지는 솔더의 직경에 따라 달라질 수 있지만, 보통 60㎛ 이하의 개구 직경을 가지는 노즐이 사용될 수 있다. 솔더재료로서 예를 들어 주석-은, 주석-구리 계열의 솔더가 사용되는 경우 녹는점이 약 220∼230℃이므로 제팅헤드의 온도는 이보다는 높은 온도, 바람직하게는 전체적으로 250℃ 정도로 유지하는 것이 좋다.

상기 방법에 따라 만들어지는 솔더액적을 하부금속층에 떨어뜨리면, 액적은 급속하게 응고되어 하부금속층과는 충분히 반응할 시간을 갖지 못한다. 이때까지의 솔더는 아직 원래의 솔더액적의 조성을 그대로 가지고 있게 된다.

하부금속층의 상부에 별도의 금속층이 형성된 경우 상부의 솔더가 반응을 일 으켜 소정의 금속성분이 솔더의 조성내로 혼입되어지려면 솔더 리플로우 과정이 요구되어진다. 솔더 리플로우 과정을 수행하면 순수한 주석 솔더는 용융상태로 바뀌게 되며, 하부금속층에 형성된 은층, 구리층 등과 반응을 수행하여 솔더내로 은 또는 구리 등의 금속이 용해되어 3원계 이상의 다원계 솔더범프를 형성할 수도 있다.

리플로우 과정은 솔더의 녹는점 이상의 온도로 유지하다가 다시 상온으로 냉각시키는 과정으로 이 때 솔더는 표면 장력에 의해 구형의 범프로 바뀌게 된다. 리플로우 과정 동안에 솔더가 산화되는 것을 방지하기 위해 플럭스(Flux)를 도포한 후 질소 분위기 하에서 진행하게 된다. 본 발명에서는 최종적으로 이와 같은 리플로우 과정을 통해 솔더 범프의 조성을 결정할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 용융솔더내의 금속간 화합물을 제거할 수 있어 노즐내부 또는 노즐입구 등을 막히게 하는 일이 없다. 또한, 칩의 하부금속층에 별도의 금속층을 증착하고 여기에 2성분계 이상의 솔더액적을 적하하여 리플로우 과정을 수행하는 경우 종래 솔더조성의 정확한 조절이 매우 어려운 3원계 이상의 솔더범프도 자유롭게 형성할 수 있다. 즉, 다원계 솔더범프내의 성분간 조성비는 하부금속층의 상부에 형성되는 금속층의 종류와 두께 등의 조절을 통해서 자유롭게 조절할 수 있게 된다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 내용을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 3a는 기존의 공정 납/주석 솔더의 제팅시 이용되는 용융솔더의 준비과정을 포함한 공정 순서도이다. 솔더는 필터링과정을 통해 250℃ 가량의 온도에서 용융된 상태로 불순물이 제거되고, 이를 솔더보관소내로 주입시킨 후 응고시킨다. 이 때 필터를 빠져나온 솔더는 솔더내의 다른 불순물은 모두 제거된 상태이지만, 솔더 자체내에 포함된 은, 구리, 주석 등으로 인해 응고시 주석-은 및 주석-구리 등의 금속간 화합물이 여전히 존재하게 된다. 이후 다시 솔더제팅을 위해 제팅노즐 등을 설치한 후 솔더를 용융하여 제팅하는데 이때 용융솔더내에는 주석-은 및 주석-구리 등의 금속간 화합물이 여전히 존재하므로 이들이 노즐내부 혹은 노즐 입구 등을 막히게 하여 무연솔더는 제팅되지 않게 된다.

도 3b는 도 3a와 같은 기존의 제팅방법을 통해서는 무연솔더의 제팅이 불가능하기 때문에, 이를 개선하기 위해 용융솔더의 준비과정을 포함한 솔더제팅공정을 개선한 후의 공정순서도이다. 전체적인 공정은 기존공정에서와 흡사하지만 솔더보관소에 필터링된 솔더를 주입한 후, 솔더를 주석-은 또는 주석-구리 금속간 화합물의 녹는점 보다 높은 온도인 약 500℃까지 가열한 다음, 다시 솔더를 응고시키지 않고 무연솔더의 녹는점보다 20∼30℃ 높은 온도로까지만 냉각시키는 과정이 포함되는 점에서 차이가 있다. 이후 제팅노즐을 이동시켜 이 상태에서 바로 솔더제팅을 수행하면, 종래 필터링 후 불가피하게 생겨난 수∼수십 ㎛크기의 금속간 화합물을 제거시킬 수 있다.

본 발명에 의하면 솔더제팅법에 의한 솔더범프의 형성에 있어서, 솔더제팅시 용융솔더내의 금속간 화합물을 제거할 수 있어 제팅장치를 구성하는 노즐내부 또는 노즐입구 등을 막히게 하는 일이 없다. 또한, 칩의 하부금속층에 별도의 금속층을 증착하고 여기에 2성분계 이상의 솔더액적을 적하하여 리플로우 과정을 수행하는 경우 종래 솔더조성의 정확한 조절이 매우 어려운 3원계 이상의 솔더범프도 자유롭게 형성할 수 있다.

Claims (4)

1. (a) 제팅하고자 하는 다원계 솔더를 용융시키고 상기 용융된 솔더내에 함유된 일정 크기 이상의 불순물을 제거하는 단계; (b) 불순물이 제거된 다원계 솔더를 가열하여 솔더 조성내에 포함된 금속간 화합물을 용융시키는 단계; (c) 상기 솔더를 용융점 이상의 온도로 유지하고, 상기 솔더를 제팅하여 솔더범프를 형성하는 단계를 포함하는 다원계 솔더범프의 제조방법
2. 제 1항에 있어서, 단계 a의 솔더는 주석계 무연솔더인 다원계 솔더범프의 제조방법
3. 제 2항에 있어서, 단계 b의 솔더는 주석-은, 주석-구리, 주석-은-X (X=구리, 비스무스, 인듐, 아연에서 선택) 중 어느 하나의 조성인 다원계 솔더범프의 제조방법
4. 제 2항에 있어서, 단계 c의 솔더는 솔더의 용융점보다 20∼30℃ 높은 온도로 유지시키는 다원계 솔더범프의 제조방법

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