KR100807038B1 - 솔더 범프 형성 방법 및 장치 - Google Patents

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쥰이치 오노자키
마사히코 후루노
히로시 사이토
하루히코 안도
이사오 사카모토
마사루 시라이
유지 오하시
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가부시키가이샤 다무라 세이사쿠쇼
도꾸리쯔교세이호징 가가꾸 기쥬쯔 신꼬 기꼬
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Abstract

패드 전극(pad electrode)의 미세 피치(fine pitch)화를 도모하는 동시에, 땜납량이 많고 또한 편차도 적은 솔더 범프(solder bump)를 얻는다. 우선, 액체 탱크(11) 내의 불활성 액체(13) 속에, 기판(20)을 표면(21)이 위로 되도록 위치시킨다. 이어서, 땜납 미립자 형성 유닛(15)으로부터 땜납 미립자(14)를 포함하는 불활성 액체(13)를 액체 탱크(11)에 송출하고, 땜납 미립자(14)를 공급관(16)으로부터 불활성 액체(13) 속의 기판(20) 위에 낙하시킨다. 땜납 미립자(14)는 중력에 의해서 자연적으로 낙하해 기판(20) 위에 도달한다. 기판(20)의 패드 전극 위에 도달한 땜납 미립자(14)는, 중력에 의해서 거기에 머무르고, 땜납 젖음 시간이 경과하면 패드 전극 표면에 넓게 퍼져서 땜납 피막을 형성한다.

Description

솔더 범프 형성 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR FORMING SOLDER BUMP}
본 발명은, 예를 들어, 반도체 기판(基板)이나 인터포저 기판(interposer substrate) 위에 반구(半球) 형상의 솔더 범프(solder bump)를 형성해서 FC(flip chip)나 BGA(ball grid array)를 제조할 때에 이용되는 솔더 범프 형성 방법 및 솔더 범프 형성 장치에 관한 것이다.
최근에, 전자기기(電子機器)의 소형화 및 박형화(薄型化)에 따라, 전자부품의 고밀도 실장(實裝) 기술이 급속히 진전되고 있다. 이 고밀도 실장을 실현하는 반도체 장치로서, 반구 형상의 솔더 범프를 갖는 FC나 BGA가 사용되고 있다.
패드 전극(pad electrode) 위에 솔더 범프를 형성하는 방법으로서, 용융 땜납에 패드 전극을 접촉시키는 방법(용융 땜납법), 패드 전극 위에 솔더 페이스트(solder paste)를 스크린 인쇄하여 리플로(reflow)하는 방법(스크린 인쇄법), 패드 전극 위에 솔더 볼(solder ball)을 탑재하여 리플로하는 방법(솔더 볼법), 패드 전극에 땜납 도금을 실시하는 방법(도금법) 등이 일반적이다. 이들 외에도, 예를 들어 특허 문헌 1의 일본국 특공평7-114205호 공보(도 1 등)에 기재된 솔더 범프의 형성 방법이 공지되어 있다.
도 4는 특허 문헌 1에 기재된 형성 방법을 나타내는 개략 단면도이다. 이하에서, 이 도면을 기초로 하여 설명한다.
이 형성 방법에서는, 우선, 땜납의 융점 이상으로 가열된 불활성 용제(80) 속에, 동(銅) 전극(81)을 표면에 갖는 웨이퍼(82)를 이 표면이 아래로 되도록 침지(浸漬) 시킨다. 계속해서, 불활성 용제(80) 속에서, 용융 땜납(83)으로서 이루어지는 땜납 입자(84)를 위를 향해서 분사함으로써, 땜납 입자(84)를 웨이퍼(82)에 접촉시켜서 동 전극(81)에 솔더 범프(도시하지 않음)를 형성한다. 더욱 상세하게 설명한다.
가열 탱크(85) 내의 용융 땜납(83)과 불활성 용제(80)는, 땜납의 융점보다 약간 높은 온도, 예를 들면 200℃로 온도가 제어된다. 가열 탱크(85) 내의 용융 땜납(83)은, 땜납 도입관(86)으로부터 땜납 미립화 장치(87) 내로 흡인(吸引)된다. 또한, 땜납 미립화 장치(87)는 용융 땜납(83)과 동일한 온도로 되어 있는 불활성 용제(80)를 불활성 용제 도입관(88)으로부터 흡인하고, 이들 2개 액체를 혼합 교반(攪拌)해서 용융 땜납(83)을 파쇄(破碎)해 입자화한다. 그리고, 땜납 입자(84)를 포함한 불활성 용제(80)는, 혼합액 도출관(89)으로부터 분출 장치(90)에 액체로 이송되어, 노즐(91)로부터 위쪽으로 분사된다.
불활성 용제(80) 속의 땜납 입자(84)는, 불활성 용제(80)로써 피복된 상태로 되어 있으므로, 외기(外氣)와 접촉하지 않는다. 이 때문에, 땜납 입자(84)의 표면은 금속 표면을 유지하고, 활성 상태로 있다. 그리고, 불활성 용제(80) 속의 땜납 입자(84)가, 침지된 웨이퍼(82)의 표면에 접촉하면, 동 전극(81)과 땜납 합금층을 형성해서 동 전극(81)의 표면에 부착됨으로써, 동 전극(81)의 표면을 용융된 땜납 피막(도시하지 않음)으로써 피복한다. 계속해서, 땜납 입자(84)는 이 땜납 피막에 흡착되기 쉬우므로, 이 부분의 땜납 입자(84)가 잇달아 땜납 피막 위에 부착한다.
한편, 동 전극(81) 위에 부착되지 못한 땜납 입자(84)는, 그 비중 차(差)에 의해 서서히 하강하고, 가열 탱크(85)의 저부(底部)에 퇴적한다. 이렇게, 땜납 입자(84)가 위쪽으로 분출하는 불활성 용제(80) 속에, 동 전극(81)을 아래로 해서 웨이퍼(82)를 침지시킴으로써, 동 전극(81)의 표면에만 선택적으로 솔더 범프(도시하지 않음)를 형성할 수 있다.
그러나, 용융 땜납법은 패드 전극의 미세 피치(fine pitch)화에 적합하다는 특장(特長)이 있지만, 솔더 범프의 땜납량이 적고 또한 그 편차도 크다고 하는 결점이 있다. 스크린 인쇄법은 일괄해서 용이하게 솔더 범프를 형성할 수 있다고 하는 특징이 있지만, 미세 피치의 마스크(mask)를 사용하면 눈막힘이나 땜납량의 불균일이 발생하기 쉬우므로, 미세 피치화에 적합하지 않다고 하는 결점이 있다. 솔더 볼법은 최근의 경향으로서 하나의 반도체 장치에 사용되는 솔더 볼의 수가 매우 많게 되고, 게다가 솔더 볼의 크기도 매우 작게 되어 있기 때문에, 제조 비용이 높아진다고 하는 결점이 있다. 도금법은 최근에 보급되고 있는 납 없는 땜납(lead-free solder)에 대하여 적당한 도금액이 없다고 하는 결점이 있다. 또한, 특허 문헌 1의 형성 방법에서는, 동 전극에 땜납 입자가 부착되기 어려운, 즉 땜납 젖음성이 나쁘다고 하는 결점이 있기 때문에, 실용화가 곤란했다.
그래서, 본 발명의 목적은, 패드 전극의 미세 피치화를 도모할 수 있는 동시에, 땜납량이 많고 또한 편차도 적은 솔더 범프를 얻을 수 있는 솔더 범프의 형성 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태(aspect)에 따른 솔더 범프 형성 방법은, 땜납의 융점 이상으로 가열된 액체 속에서, 용융된 상기 땜납으로 이루어지는 땜납 미립자를, 표면에 금속막이 있는 기판의 위쪽으로부터 상기 기판 위에 낙하시킴으로써, 상기 금속막 위에 땜납 피막을 형성한다고 하는 것이다. 여기서 말하는 "땜납"에는, 솔더 범프 형성용의 땜납에 한정하지 않고, 반도체 칩(chip)의 다이 본딩(die bonding)용의 땜납이나, 예를 들면 동관(銅管)의 접합용에 이용되는 "연질납"이라고 불리는 것 등도 포함되는 동시에, 당연한 것이지만 납 없는 땜납도 포함된다. 여기서 말하는 "액체"는, 땜납과 반응하지 않는 불활성 액체나, 땜납 표면의 산화막을 제거하는 작용을 갖는 액체(예를 들면, 후술하는 유기산 등)가 바람직하다. 여기서 말하는 "땜납 피막"이라는 것은, 막(膜) 형상의 것에 한정하지 않고, 반구 형상이나 돌기(突起) 형상의 것도 포함하는 것으로 한다.
액체 속에서, 기판은 금속막 쪽을 위로해서 침지되어 있다. 이때, 기판 위의 액체 속에 땜납 미립자를 공급하면, 땜납 미립자는 중력에 의해 자연 낙하해서 기판 위에 도달한다. 기판의 금속막 위에 도달한 땜납 미립자는, 중력에 의해 거기에 머무르고, "어느 시간"이 경과하면 금속막 표면에 넓게 퍼져서 땜납 피막을 형성한다. 계속해서, 그 땜납 피막 위에 도달한 땜납 미립자는, 중력에 의해 거기에 머무르고, 동일하게 "어느 시간"이 경과하면 넓게 퍼져서 땜납 피막을 두껍게 한다. 이것이 반복되어서, 땜납 피막이 성장한다.
본 발명자는, 땜납이 젖기 위해서, 위에서 설명한 "어느 시간"(이하, "땜납 젖음 시간(solder wet time)"이라고 함.)이 필요한 것을 발견했다. 특허 문헌 1의 기술에서는, 하향(下向)의 패드 전극에 대하여 땜납 미립자를 위로 분출해서 접촉시키기 때문에, 땜납 미립자가 패드 전극에 접하는 시간이 일순간밖에 없으므로, 땜납 젖음성(solder wetability)이 나쁠 것으로 생각된다.
또한, 특허 문헌 1의 기술에서는, 땜납 미립자를 중력에 거역해서 위로 분출시키므로, 상당한 에너지를 필요로 한다. 이에 반해, 본 발명에서는 땜납 미립자를 자연 낙하시키는 것뿐이므로, 거의 에너지를 필요로 하지 않는다. 또한, 특허 문헌 1의 기술은 분류(噴流) 납땜의 일종이라고 볼 수 있다. 이에 반해, 본 발명은 종래의 어떠한 납땜 방법에도 속하지 않는, 전혀 새로운 기술이다.
또한, 본 발명자는 액체 속에서 땜납 미립자끼리 접촉해도, 이것들이 합체해서 큰 땜납 미립자가 되는 경우는 적다는 것도 발견했다. 따라서, 미세 피치의 금속막에 대해서도 땜납 브리지(solder bridge) 등이 발생하지 않는다. 또한, 땜납 피막의 땜납량은 땜납 미립자의 공급량을 변경함으로써 용이하게 조정할 수 있다. 게다가, 땜납 미립자는 지극히 작기 때문에 다량으로 공급되므로, 액체 속에 균일하게 분산된다. 따라서, 땜납 피막의 땜납량의 편차도 적다.
본 발명의 제2 양태에 따른 솔더 범프 형성 방법은, 본 발명의 상기 제1 양태 에 따른 솔더 범프 형성 방법에 있어서, 낙하해서 금속막 위 또는 땜납 피막 위에 접한 땜납 미립자를, 그 상태로 땜납 젖음이 일어날 때까지 일정한 시간 이상 유지한다고 하는 것이다. 땜납 젖음이 일어날 때까지의 일정 시간이라는 것은, 위에서 기술한 땜납 도포 시간이다. 따라서, 금속막 위 또는 땜납 피막 위에 접한 땜납 미립자를, 그 상태에서 땜납 젖음 시간 이상 유지함으로써, 확실하게 땜납 도포를 야기할 수 있다. 여기서 말하는 "땜납 도포"라는 것은, 금속막 위에 도달한 땜납 미립자가 금속막 표면에 넓게 퍼져서 땜납 피막을 형성하는 것에 한정하지 않고, 땜납 피막 위에 도달한 땜납 미립자가 넓게 퍼져서 땜납 피막을 두껍게 하는 것도 포함하는 것으로 한다.
본 발명의 제3 양태에 따른 솔더 범프 형성 방법은, 본 발명의 상기 제1 양태 또는 제2 양태에 따른 솔더 범프 형성 방법에 있어서, 기판 위에 낙하시키는 땜납 미립자를, 그 낙하 속도가 일정한 범위 내의 것으로 한정한다고 하는 것이다. 액체 속의 땜납 미립자는 큰 것일수록 낙하 속도도 크고, 작은 것일수록 낙하 속도도 작다. 한편, 땜납 미립자가 크면 땜납 브리지를 발생시키기 쉽게 되고, 땜납 미립자가 작으면 그 표면이 산화되기 쉽게 된다. 따라서, 낙하 속도가 일정한 범위 내의 땜납 미립자를 선택함으로써, 땜납 브리지의 발생을 억제할 수 있고, 또한 산화막에 의한 땜납 도포성의 저하를 억제할 수 있다. 구체적으로는, 다량의 땜납 미립자를 일제히 낙하시켜, 큰 땜납 미립자가 기판 근방을 낙하하는 시간 및 작은 땜납 미립자가 기판 근방을 낙하하는 시간에, 그 땜납 미립자가 기판 위에 도달하지 않도록, 기판을 퇴피(退避)시키거나, 기판을 셔터(shutter)로 덮거나 하면 좋다.
본 발명의 제4 양태에 따른 솔더 범프 형성 방법은, 땜납의 융점 이상으로 가열된 액체 속에, 패드 전극을 표면에 갖는 기판을 이 표면이 위로 되도록 위치시켜, 용융한 땜납으로 이루어지는 땜납 미립자를 액체 속에 공급하고, 이 땜납 미립자를 기판 상에 낙하시킴으로써, 패드 전극 위에 솔더 범프를 형성한다고 하는 것이다. 여기서 말하는 "기판"으로는 반도체 웨이퍼나 배선판 등이 포함된다. 또한, "솔더 범프"로는 반구 형상이나 돌기 형상의 것에 한정하지 않고, 막(膜) 형상의 것도 포함한다.
액체 속에서, 기판은 패드 전극 쪽을 위로 하여 침지되어 있다. 이때, 기판 위의 액체 속에 땜납 미립자를 공급하면, 땜납 미립자는 중력에 의해 자연 낙하해서 기판 위에 도달한다. 기판의 패드 전극 위에 도달한 땜납 미립자는, 중력에 의해 거기에 머무르고, 땜납 도포 시간이 경과하면 패드 전극 표면에 넓게 퍼져서 땜납 피막을 형성한다. 계속해서, 이 땜납 피막 위에 도달한 땜납 미립자는, 중력에 의해 거기에 머무르고, 마찬가지로 땜납 도포 시간이 경과하면 넓게 퍼져서 땜납 피막을 두껍게 한다. 이것이 반복되어서, 땜납 피막이 성장해 솔더 범프가 된다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명자는 액체 속에서 땜납 미립자끼리 접촉해도, 이들이 합체해서 큰 땜납 미립자로 되는 경우는 적다는 것도 발견했다. 따라서, 미세 피치의 패드 전극에 대해서도 땜납 브리지 등이 발생하지 않는다. 또한, 솔더 범프의 땜납량은 땜납 미립자의 공급량을 변경함으로써 용이하게 조정할 수 있다. 게다가, 땜납 미립자는 패드 전극에 비해서 지극히 작기 때문에 다량으로 공급되므로, 액체 속에 균일하게 분산된다. 따라서, 솔더 범프의 땜납량의 편차도 적다.
본 발명의 제5 양태에 따른 솔더 범프 형성 방법은, 본 발명의 상기 제1 양태에 따른 형성 방법에 있어서, 용융된 상기 땜납을 상기 액체 속에서 파쇄함으로써, 상기 땜납 미립자를 형성한다고 하는 것이다. 땜납 미립자와 솔더 범프가 공통의 액체 속에서 형성되므로, 형성 장치가 간단하게 된다.
본 발명의 제6 양태에 따른 솔더 범프 형성 방법은, 본 발명의 상기 제1 양태에 따른 형성 방법에 있어서, 액체 중에 플럭스(flux) 혹은 유기산(有機酸)이 포함되고, 또는 액체가 유기산으로서 이루어지고, 이들 유기산은 금속 표면의 산화물을 제거하는 환원(還元) 작용이 있다고 하는 것이다. 플럭스 또는 유기산의 작용에 의해, 액체 속에서의 땜납 젖음성이 더욱 향상된다. 여기서 말하는 "플럭스"로는, 로진(rosin), 계면 활성제, 그 외 땜납 표면의 산화막을 제거하는 작용이 있는 것(예를 들어, 염산 등)이 포함된다.
본 발명의 제7 양태에 따른 솔더 범프 형성 방법은, 본 발명의 상기 제4 양태에 따른 형성 방법에 있어서, 땜납 미립자의 직경이 인접하는 패드 전극끼리의 주변 단부(peripheral edges)간의 최단 거리보다도 작다고 하는 것이다. 이 경우, 인접하는 2개의 패드 전극 위에 각각 도달한 땜납 미립자끼리는 접하는 일이 없으므로, 합체해서 땜납 브리지를 형성하는 일이 없다.
본 발명의 제8 양태에 따른 솔더 범프 형성 장치는, 액체 탱크 및 땜납 미립자 공급 수단을 구비한 것이다. 액체 탱크는, 땜납의 융점 이상으로 가열된 액체와, 표면에 금속막이 있고 또한 상기 표면이 위로 되도록 상기 액체 속에 위치하고 있는 기판을 수용한다. 땜납 미립자 공급 수단은, 용융된 땜납으로 이루어지는 땜납 미립자를 액체 속에 공급하고, 땜납 미립자를 기판 위에 낙하시킨다.
액체 탱크 내의 액체 속에서, 기판은 패드 전극 쪽을 위로 해서 침지되어 있다. 이때, 땜납 미립자 공급 수단으로부터 기판 위의 액체 속에 땜납 미립자를 공급하면, 땜납 미립자는 중력에 의해 자연 낙하해서 기판 위에 도달한다. 이하, 상기 본 발명의 제4 양태에 따른 형성 방법과 동일한 작용을 나타낸다.
본 발명의 제9 양태에 따른 솔더 범프 형성 장치는, 본 발명의 상기 제8 양태에 따른 형성 장치에 있어서, 땜납 미립자 공급 수단이, 용융된 땜납을 액체 속에서 파쇄함으로써 땜납 미립자를 형성한다고 하는 것이다. 본 발명의 제5 양태에 따른 형성 방법과 동일한 작용을 나타낸다.
본 발명의 제10 양태에 따른 솔더 범프 형성 장치는, 본 발명의 상기 제8 양태에 따른 형성 장치에 있어서, 액체 탱크 및 땜납 미립자 공급 수단이 다음과 같은 구성으로 되어 있다. 액체 탱크는, 기판 및 액체를 수용하는 제1 액체 탱크와, 액체 및 액체 속에 침전되어 있는 용융된 땜납을 수용하는 제2 액체 탱크로 이루어진다. 제1 액체 탱크와 제2 액체 탱크는 상부끼리는 연통하고 저부끼리는 연통하지 않는다. 땜납 미립자 공급 수단은, 제2 액체 탱크 내의 용융된 땜납을 파쇄함으로써 땜납 미립자를 형성함과 더불어, 땜납 미립자를 제2 액체 탱크의 상부로부터 제1 액체 탱크에 공급한다.
제1 액체 탱크 내의 액체 속에서, 기판은 패드 전극 쪽을 위로 해서 침지되어 있다. 이때, 땜납 미립자 공급 수단은, 제1 액체 탱크 내의 기판 위의 액체 속에, 제2 액체 탱크의 상부로부터 땜납 미립자를 공급한다. 그렇게 하면, 땜납 미립자는 중력에 의해 자연 낙하해서 기판 위에 도달한다. 기판의 패드 전극 위에 도달한 땜납 미립자는, 중력에 의해 거기에 머무르고, 땜납 젖음 시간이 경과하면 패드 전극 표면에 넓게 퍼져서 땜납 피막을 형성한다. 계속해서, 이 땜납 피막 위에 도달한 땜납 미립자는 중력에 의해 거기에 머무르고, 마찬가지로 땜납 젖음 시간이 경과하면 넓게 퍼져서 땜납 피막을 두껍게 한다. 이것이 반복되어서, 땜납 피막이 성장해 솔더 범프가 된다.
한편, 솔더 범프가 되지 못한 땜납 미립자는, 제1 액체 탱크 내의 저부에 가라앉는다. 그러나, 제1 액체 탱크와 제2 액체 탱크의 저부끼리는 연통하지 않으므로, 침전되어 있는 땜납 미립자가 파쇄되어서 다시 땜납 미립자가 되는 일은 없다. 따라서, 솔더 범프의 토대(base)가 되는 땜납 미립자는, 품질이 안정되어 있고, 크기도 균일하게 되어 있다.
본 발명의 제11 양태에 따른 솔더 범프 형성 장치는, 본 발명의 상기 제8 양태에 따른 형성 장치에 있어서, 액체 탱크 및 땜납 미립자 공급 수단이 다음과 같은 구성으로 되어 있다. 액체 탱크는, 기판, 액체 및 액체 속에 침전되어 있는 용융된 땜납을 수용하는 제1 액체 탱크와, 액체 및 액체 속에 침전되어 있는 용융된 땜납을 수용하는 제2 액체 탱크로 이루어진다. 제1 액체 탱크와 제2 액체 탱크는, 상부끼리 및 저부끼리가 연통되어 있다. 땜납 미립자 공급 수단은, 제1 액체 탱크 내 및 제2 액체 탱크 내의 용융된 땜납을 파쇄함으로써 땜납 미립자를 형성함과 더불어, 땜납 미립자를 제2 액체 탱크의 상부로부터 제1 액체 탱크에 공급하고, 제1 액체 탱크의 저부에 침전되어 있는 땜납 미립자를 용융된 땜납으로서 재이용한다.
땜납 미립자에 의해 솔더 범프가 형성되는 과정은, 본 발명의 상기 제10 양태에 따른 형성 장치와 동일하다. 한편, 솔더 범프가 되지 못한 땜납 미립자는, 제1 액체 탱크 내의 저부에 가라앉는다. 그리고, 제1 액체 탱크와 제2 액체 탱크는 저부끼리가 연통되어 있으므로, 침전되어 있는 땜납 미립자가 파쇄되어서 다시 땜납 미립자로서 이용된다. 따라서, 땜납의 효과적인 이용을 도모할 수 있다.
본 발명의 제12 양태에 따른 솔더 범프 형성 장치는, 본 발명의 상기 제8 양태에 따른 형성 장치에 있어서, 액체 중에 플럭스 혹은 유기산이 포함되고, 또는 액체가 유기산으로서 이루어지고, 이들 유기산은 금속 표면의 산화물을 제거하는 환원 작용이 있다고 하는 것이다. 본 발명의 상기 제6 양태에 따른 형성 방법과 동일한 작용을 나타낸다.
본 발명의 제13 양태에 따른 솔더 범프 형성 장치는, 본 발명의 상기 제8 양태에 따른 형성 장치에 있어서, 상기 금속막은 패드 전극으로 되어 있고, 상기 패드 전극 위에 솔더 범프를 형성하며, 땜납 미립자의 직경이 인접하는 패드 전극끼리의 주변 단부간의 최단 거리보다도 작다고 하는 것이다. 본 발명의 상기 제7 양태에 따른 형성 방법과 동일한 작용을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 솔더 범프의 형성 방법 및 장치의 제1 실시형태를 나타내는 개략 구성도이며, 도 1[1]∼도 1[3]의 순서로 공정이 진행하는 도면.
도 2는 도 1의 부분 확대 단면도이며, 도 2[1]∼도 2[3]은 각각 도 1[1]∼도 1[3]에 대응하는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 솔더 범프의 형성 방법 및 장치의 제2 실시형태를 나타내는 개략 구성도.
도 4는 종래의 솔더 범프의 형성 방법을 나타내는 개략 단면도.
이하에, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다. 단, 본 발명에 따른 땜납 공급 방법에 대해서는, 본 발명에 따른 솔더 범프의 형성 방법 및 장치로 이용되므로, 본 발명에 따른 솔더 범프의 형성 방법 및 장치의 실시형태를 설명하는 중에 동시에 설명하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 솔더 범프의 형성 방법 및 장치의 제1 실시형태를 나타내는 개략 구성도이며, 도 1[1]∼도 1[3]의 순서로 공정이 진행한다. 이하에서, 이 도면에 기초해 설명한다.
본 실시형태에서 사용하는 형성 장치(10)에 대해서 설명한다. 형성 장치(10)는, 액체 탱크(11) 및 땜납 미립자 공급 수단(12)을 구비한 것이다. 액체 탱크(11)는, 땜납의 융점 이상으로 가열된 액체로서의 불활성 액체(13)와, 표면(21)이 위로 되도록 불활성 액체(13) 속에 위치되는 기판(20)을 수용한다. 땜납 미립자 공급 수단(12)은, 용융 땜납으로서 이루어지는 땜납 미립자(14)를 불활성 액체(13) 속에 공급하는 땜납 미립자 형성 유닛(15)과, 땜납 미립자(14)를 기판(20) 위에 낙하시키는 공급관(16)을 구비하고 있다.
땜납은, 예를 들어, Sn-Pb(융점 183℃), Sn-Ag-Cu(융점 218℃), Sn-Ag(융점 221℃), Sn-Cu(융점 227℃) 등을 사용한다. 불활성 액체(13)는, 땜납의 융점 이상의 비점(沸點)을 갖는 동시에, 땜납과 반응하지 않는 액체이면 무엇이든지 좋으며, 예를 들어 불소계 고비점(高沸點) 용제나 불소계 오일 등이다. 액체 탱크(11)는, 예를 들어 스테인리스나 내열성 수지 등으로 이루어지는 용기에, 불활성 액체(13)를 땜납의 융점 이상(예를 들면, 융점 + 50℃)으로 유지하기 위한 전열 히터나 냉각수 배관(도시하지 않음) 등이 설치된 것이다. 또한, 액체 탱크(11) 내에는, 기판(20)을 불활성 액체(13) 속에 위치시키기 위한 탑재대(17)가 설치되어 있다.
땜납 미립자 형성 유닛(15)은, 예를 들어, 용융 땜납을 불활성 액체(13) 속에서 파쇄함으로써 땜납 미립자(14)를 형성하는 것이다. 이 경우, 액체 탱크(11)의 밑바닥에 가라앉은 땜납 미립자(14)(용융 땜납) 및 액체 탱크(11) 내의 불활성 액체(13)를 도입하기 위한 배관을, 액체 탱크(11)와의 사이에 설치해도 좋다. 공급관(16)은, 예를 들어 공급구(도시하지 않음)가 기단(基端)으로부터 선단(先端)까지 다수 설치되어 있고, 이 공급구로부터 땜납 미립자(14)를 불활성 액체(13) 속에 균등하게 낙하시킨다. 이로써, 불활성 액체(13)에 혼재한 땜납 미립자(14)는, 땜납 미립자 형성 유닛(15)으로부터 송출되어, 공급관(16)으로부터 액체 탱크(11) 내의 불활성 액체(13) 속에 낙하한다.
도 2는 도 1의 부분 확대 단면도이며, 도 2[1]∼도 2[3]은 각각 도 1[1]∼도 1[3]에 대응한다. 이하에, 이들 도면에 기초해 설명한다. 단, 도 1과 동일한 부분은 동일한 부호를 첨부함으로써 설명을 생략한다. 또한, 도 2에서, 상하 방향은 좌우 방향보다도 확대해서 나타내고 있다.
우선, 본 실시형태에서 사용하는 기판(20)에 대해서 설명한다. 기판(20)은 실리콘 웨이퍼이다. 기판(20)의 표면(21)에는, 패드 전극(22)이 형성되어 있다. 패드 전극(22) 위에는, 본 실시형태의 형성 방법에 의해 솔더 범프(23)가 형성된다. 기판(20)은, 솔더 범프(23)를 통해서, 다른 반도체 칩이나 배선판에 전기적 및 기계적으로 접속된다. 패드 전극(22)은, 형상이 예를 들어 원(圓)이며, 직경 c가 예를 들어 40㎛이다. 인접하는 패드 전극(22)의 중심 간의 거리 d는, 예를 들어 80㎛이다. 땜납 미립자(14)의 직경 b는, 예를 들어 3∼15㎛이다.
패드 전극(22)은, 기판(20) 위에 형성된 알루미늄 전극(24)과, 알루미늄 전극(24) 위에 형성된 니켈층(25)과, 니켈층(25) 위에 형성된 금층(金層)(26)으로 이루어진다. 니켈층(25) 및 금층(26)은 UBM(under barrier metal 또는 under bump metallurgy)층이다. 기판(20) 위의 패드 전극(22) 이외의 부분은 보호막(27)으로 덮여져 있다.
이어서, 패드 전극(22)의 형성 방법에 대해서 설명한다. 우선, 기판(20) 위에 알루미늄 전극(24)을 형성하고, 알루미늄 전극(24) 이외의 부분에 폴리이미드(polyimide) 수지(樹脂)에 의해 보호막(27)을 형성한다. 이것들은, 예를 들어 포토리소그래피(photolithography) 기술 및 에칭(etching) 기술을 이용해서 형성한다. 계속해서, 알루미늄 전극(24) 표면에 아연산염 처리(zincate treatment)를 실시한 후에, 무전해(無電解) 도금법을 이용해서 알루미늄 전극(24) 위에 니켈층(25) 및 금층(26)을 형성한다. 이 UBM층을 형성하는 이유는, 알루미늄 전극(24)에 땜납 젖음성을 부여하기 위해서이다.
이어서, 도 1 및 도 2에 근거해서, 본 실시형태의 솔더 범프의 형성 방법 및 장치에 대해서, 작용 및 효과를 설명한다.
우선, 도 1[1] 및 도 2[1]에 나타낸 바와 같이, 액체 탱크(11) 내의 불활성 액체(13) 속에, 기판(20)을 표면(21)이 위로 되도록 위치시킨다. 기판(20)의 표면(21)에는 패드 전극(22)이 형성되어 있다. 불활성 액체(13)는 땜납의 융점 이상으로 가열되어 있다.
계속해서, 도 1[2] 및 도 2[2]에 나타낸 바와 같이, 땜납 미립자 형성 유닛(15)으로부터 땜납 미립자(14)를 포함하는 불활성 액체(13)를 액체 탱크(11)에 송출하고, 땜납 미립자(14)를 공급관(16)으로부터 불활성 액체(13) 속의 기판(20) 위에 낙하시킨다.
불활성 액체(13) 속에서, 기판(20)은 패드 전극(22) 측을 위로 해서 침지되어 있다. 이때, 기판(20) 위의 불활성 액체(13) 속에 땜납 미립자(14)를 공급하면, 땜납 미립자(14)는 중력에 의해 자연 낙하해서 기판(20) 위에 도달한다. 기판(20)의 패드 전극(22) 위에 도달한 땜납 미립자(14)는, 중력에 의해 거기에 머무르고, 땜납 젖음 시간이 경과하면 패드 전극(22) 표면에 넓게 퍼져서 땜납 피막(23')을 형성한다. 계속해서, 그 땜납 피막(23') 위에 도달한 땜납 미립자(14)는, 중력에 의해 거기에 머무르고, 마찬가지로 땜납 젖음 시간이 경과하면 넓게 퍼져서 땜납 피막(23')을 두껍게 한다. 이것이 반복되어서, 땜납 피막(23')이 성장해 솔더 범프(23)가 된다(도 1[3] 및 도 2[3]).
땜납 젖음 시간이라는 것은, 땜납 미립자(14)와 패드 전극(22) 또는 땜납 피막(23')이 접하는 시간으로서, 땜납이 젖기 위해 필요한 시간(예를 들면, 몇 초∼몇십 초)이며, 본 발명자에 의해 발견된 것이다. 본 실시형태에서는, 땜납 미립자(14)가 낙하해서 패드 전극(22) 또는 땜납 피막(23')에 도달하면, 땜납 미립자(14)는 중력의 작용에 의해 거기에 머문다. 그 때문에, 땜납 미립자(14)와 패드 전극(22) 또는 땜납 피막(23')은, 땜납 젖음 시간이 경과할 때까지 접하게 된다. 따라서, 땜납 젖음성이 양호하다.
또한, 본 발명자는, 불활성 액체(13) 속에서 땜납 미립자(14)끼리가 접촉해도, 이것들이 합체해서 큰 땜납 미립자가 되는 경우는 적다는 것도 발견했다. 따라서, 미세 피치의 패드 전극(22)에 대해서도, 땜납 브리지 등이 발생하지 않는다. 특히, 인접하는 패드 전극(22)끼리의 주변 단부간의 최단 거리 a보다도, 땜납 미립자(14)의 직경 b를 작게 하면 좋다. 이 경우, 인접하는 2개의 패드 전극(22) 위에 각각 도달한 땜납 미립자(14)끼리는 접촉하지 않기 때문에, 합체해서 땜납 브리지를 형성하는 일이 없다.
또한, 솔더 범프(23)의 땜납량은, 땜납 미립자 형성 유닛(15)에 의해 땜납 미립자(14)의 공급량을 변경함으로써 용이하게 조정할 수 있다. 게다가, 땜납 미립자(14)는, 패드 전극(22)에 비해서 지극히 작기 때문에 다량으로 공급되므로, 불활성 액체(13) 속에 균일하게 분산된다. 따라서, 솔더 범프(23)의 땜납량의 편차도 적다.
도 3은 본 발명에 따른 솔더 범프의 형성 방법 및 장치의 제2 실시형태를 나타내는 개략 구성도이다. 이하에, 이 도면에 기초해 설명한다. 단, 도 1 및 도 2와 동일한 부분은 동일한 부호를 첨부함으로써 설명을 생략한다.
본 실시형태의 솔더 범프의 형성 장치(30)는, 액체 탱크(31) 및 땜납 미립자 공급 수단(32)이 다음과 같은 구성으로 되어 있다. 액체 탱크(31)는, 기판(20), 불활성 액체(13) 및 불활성 액체(13) 속에 침전되어 있는 용융 땜납(33)을 수용하는 액체 탱크(34)와, 불활성 액체(13) 및 불활성 액체(13) 속에 침전되어 있는 용융 땜납(33)을 수용하는 액체 탱크(35, 36)로 이루어진다. 액체 탱크(34)와 액체 탱크(35, 36)는, 상부(37)끼리 및 저부(38)끼리가 연통하고 있다.
땜납 미립자 공급 수단(32)은, 액체 탱크(35, 36)에 설치된 교반기(攪拌機)(32A, 32B)로서 이루어지고, 액체 탱크(34∼36) 내의 용융 땜납(33)을 파쇄함으로써 땜납 미립자(14)를 형성함과 더불어, 땜납 미립자(14)를 액체 탱크(35, 36)의 상부(37)로부터 액체 탱크(34)에 공급하고, 액체 탱크(34)의 저부(38)에 가라앉은 땜납 미립자(14)를 용융 땜납(33)으로서 재이용한다.
이어서, 형성 장치(30)의 동작을 설명한다. 또한, 교반기(32A, 32B)는 동일한 구성이므로, 교반기(32A)에 대해서만 설명한다.
교반기(32A)는, 액체 탱크(35)에 설치되어, 모터(40), 회전축(41), 임펠러(impeller)(42) 등을 구비하고 있다. 모터(40)가 회전하면, 회전축(41)을 통해서 임펠러(42)도 회전한다. 그러면, 임펠러(42)는 액체 탱크(34, 35) 내를 순환하는 불활성 액체(13)의 흐름을 발생시킨다. 그리고, 액체 탱크(35) 내의 용융 땜납(33)은 이 흐름에 흡인되어, 임펠러(42)에서 파쇄되고, 땜납 미립자(14)로 되어서, 상부(37)로부터 액체 탱크(34)에 공급된다.
땜납 미립자(14)에 의해 솔더 범프(도시하지 않음)가 형성되는 과정은, 제1 실시형태의 경우와 동일하다. 한편, 솔더 범프가 되지 못한 땜납 미립자(14)는, 액체 탱크(34) 내의 저부(38)에 침전된다. 그리고, 액체 탱크(34)와 액체 탱크(35)는 저부(38)끼리가 연통하고 있으므로, 침전되어 있는 땜납 미립자(14)는 용융 땜납(33)으로서 파쇄되어 다시 땜납 미립자(14)로 이용된다. 따라서, 땜납의 효과적인 이용을 도모할 수 있다.
또한, 저부(38)가 연통하지 않도록, 액체 탱크(34)와 액체 탱크(35)와의 사이를 폐쇄해도 좋다. 이 경우는, 땜납 미립자(14)를 재이용하지 않으므로, 땜납 미립자(14)의 품질이 향상되는 동시에, 땜납 미립자(14)의 크기도 더욱 균일하게 된다.
또한, 본 발명은 상기 제1 및 제2 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 실리콘 웨이퍼(FC)의 대신에, 배선판(BGA)을 이용해도 좋다. 또한, 불활성 액체 중에 플럭스 또는 위에서 설명한 유기산을 포함시켜도 좋고, 불활성 액체 대신에 위에서 설명한 유기산을 이용해도 좋다. 또한, 전극 재료는 알루미늄으로 한정하지 않고, Al-Si, Al-Si-Cu, Al-Cu, Cu 등을 이용해도 좋다. 또한, 땜납 미립자의 산화막을, 예를 들어 염산으로써 제거한 후에, 이 땜납 미립자를 액체 속에 투입해도 좋다.
본 발명에 따른 솔더 범프 형성 방법(제1 양태)에 의하면, 땜납의 융점 이상으로 가열된 액체 속에서, 땜납 미립자를 기판 위에 낙하시켜서 금속막 위에 땜납 피막을 형성함으로써, 금속막 위에 도달한 땜납 미립자를 중력에 의해 땜납 젖음 시간 이상 거기에 머물게 하여 둘 수 있으므로, 땜납 젖음성을 향상시킬 수 있다. 또한, 액체 속에서 땜납 미립자끼리가 접촉해도, 이것들이 합체해서 큰 땜납 미립자가 되는 경우가 적으므로, 미세 피치의 금속막에서의 땜납 브리지 등을 방지할 수 있다. 또한, 땜납 미립자의 공급량을 변경함으로써, 땜납 피막의 땜납량을 용이하게 조정할 수 있다. 게다가, 땜납 미립자는 지극히 작기 때문에, 다량으로 공급되어서 액체 속에 균일하게 분산되므로, 땜납 피막의 땜납량을 균일화할 수 있다. 따라서, 금속막의 미세 피치화를 도모할 수 있는 동시에, 땜납량이 많고 또한 편차도 적은 땜납 피막을 얻을 수 있다.
본 발명의 상기 제2 양태에 따른 솔더 범프 형성 방법에 의하면, 금속막 위 또는 땜납 피막 위에 접한 땜납 미립자를, 그 상태에서 땜납 젖음 시간 이상 유지함으로써, 확실하게 땜납 도포를 야기할 수 있다.
본 발명의 상기 제3 양태에 따른 솔더 범프 형성 방법에 의하면, 낙하 속도가 일정한 범위 내의 땜납 미립자를 기판 위에 낙하시킴으로써, 적당한 크기의 땜납 미립자만을 사용할 수 있으므로, 땜납 브리지의 발생 및 산화막에 의한 땜납 도포성의 저하를 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 솔더 범프의 형성 방법 및 장치(제4 및 제8 양태)에 의하면, 땜납의 융점 이상으로 가열된 액체 속에서, 땜납 미립자를 기판 위에 낙하시켜서 패드 전극 위에 솔더 범프를 형성함으로써, 패드 전극 위에 도달한 땜납 미립자를 중력에 의해 땜납 젖음 시간 이상 거기에 머물게 하여 둘 수 있으므로, 땜납 젖음성을 향상시킬 수 있다. 또한, 액체 속에서 땜납 미립자끼리가 접촉해도, 이것들이 합체해서 큰 땜납 미립자가 되는 것은 적으므로, 미세 피치의 패드 전극에서의 땜납 브리지 등을 방지할 수 있다. 또한, 땜납 미립자의 공급량을 변경함으로써, 솔더 범프의 땜납량을 용이하게 조정할 수 있다. 게다가, 땜납 미립자는 패드 전극에 비해서 지극히 작기 때문에, 다량으로 공급되어서 액체 속에 균일하게 분산되므로, 솔더 범프의 땜납량을 균일화할 수 있다. 따라서, 패드 전극의 미세 피치화를 도모할 수 있는 동시에, 땜납량이 많고 또한 편차도 적은 솔더 범프를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 솔더 범프 형성 방법 및 장치(제5 및 제9 양태)에 의하면, 용융 땜납을 액체 속에서 파쇄해서 땜납 미립자를 형성함으로써, 땜납 미립자와 솔더 범프를 공통의 액체 속에서 형성할 수 있으므로, 형성 장치의 구성을 간략화할 수 있다.
본 발명에 따른 솔더 범프 형성 방법 및 장치(제6 및 제12 양태)에 의하면, 액체 중에 플럭스 혹은 위에서 설명한 유기산을 포함시켰으므로, 또는 액체가 위에서 설명한 유기산으로 이루어지므로, 액체 속에서의 땜납 젖음성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 솔더 범프의 형성 방법 및 장치(제7 및 제13 양태)에 의하면, 인접하는 패드 전극끼리의 주변 단부간의 최단 거리보다도 땜납 미립자의 직경을 작게 함으로써, 인접하는 2개의 패드 전극 위에 각각 도달한 땜납 미립자끼리의 접촉을 회피할 수 있으므로, 땜납 브리지의 발생을 더욱 확실하게 방지할 수 있다.
본 발명의 상기 제10 양태에 따른 솔더 범프 형성 장치에 의하면, 기판 위에 솔더 범프를 형성하는 제1 액체 탱크와 땜납 미립자를 형성하는 제2 액체 탱크의 저부끼리가 연통되지 않는 것에 의해, 솔더 범프로 되지 못한 땜납 미립자를 재이용하지 않으므로, 땜납 미립자의 품질을 향상시킬 수 있는 동시에, 땜납 미립자의 크기를 균일화할 수 있다.
본 발명의 상기 제11 양태에 따른 솔더 범프 형성 장치에 의하면, 기판 위에 솔더 범프를 형성하는 제1 액체 탱크와 땜납 미립자를 형성하는 제2 액체 탱크의 저부끼리가 연통하는 것에 의해, 솔더 범프로 되지 못한 땜납 미립자를 재이용할 수 있으므로, 땜납을 낭비 없이 효과적으로 이용할 수 있다.

Claims (17)

  1. 땜납의 융점 이상으로 가열된 액체 속에서, 용융된 상기 땜납으로 이루어지는 땜납 미립자를, 표면에 금속막이 있는 기판의 위쪽으로부터 상기 기판 위에 낙하시켜 공급하고,
    땜납 미립자를 낙하시킬 경우, 낙하 속도가 일정 범위 내에 있을 때에, 땜납 미립자를 상기 기판 위에 낙하시킴으로써, 상기 금속막 위에 솔더 범프를 형성하는, 솔더 범프 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 땜납 미립자가 상기 금속막에 젖음 상태로 될 때까지 일정한 시간 이상 유지하여, 상기 금속막 위에 솔더 범프를 형성하는, 솔더 범프 형성 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 금속막은 패드 전극으로 되어 있고, 상기 패드 전극 위에 솔더 범프를 형성하는, 솔더 범프 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서, 땜납 미립자 형성 유닛으로 파쇄하여, 미리 땜납 미립자를 형성한 후, 상기 기판에 땜납 미립자를 공급하는, 솔더 범프 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 액체 중에 플럭스(flux)가 포함되어 있는, 솔더 범프 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 액체 중에 유기산이 포함되어 있거나 또는 상기 액체가 상기 유기산으로 이루어지고, 상기 유기산은 금속 표면의 산화물을 제거하는 환원(還元) 작용이 있는, 솔더 범프 형성 방법.
  8. 제4항에 있어서, 상기 땜납 미립자의 직경은, 인접하는 상기 패드 전극끼리의 주변 단부 사이의 최단 거리보다도 작은, 솔더 범프 형성 방법.
  9. 땜납의 융점 이상으로 가열된 액체와,
    상기 액체를 수용하고, 또한 표면에 금속막을 갖는 기판을 표면이 위로 되도록 수용하는 액체 탱크와,
    용융된 상기 땜납으로 이루어지는 땜납 미립자를, 상기 기판의 위쪽으로부터 상기 기판 위에 낙하시켜 공급하는 땜납 미립자 공급 수단과,
    땜납 미립자를 낙하시킬 경우, 낙하속도가 일정한 범위 내에 있을 때에, 상기 땜납 미립자를 상기 기판 위에 낙하시키는 수단을 포함하는, 솔더 범프 형성 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 땜납 미립자 공급 수단은, 용융된 상기 땜납을 상기 액체 속에서 파쇄함으로써 상기 땜납 미립자를 형성하는, 솔더 범프 형성 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 액체 탱크는, 상기 기판 및 상기 액체를 수용하는 제1 액체 탱크와, 상기 액체 및 상기 액체 속에 침전되어 있는 용융된 상기 땜납을 수용하는 제2 액체 탱크로 이루어지고,
    상기 제1 액체 탱크와 상기 제2 액체 탱크는, 상부끼리는 연통하고 저부끼리는 연통하지 않으며,
    상기 땜납 미립자 공급 수단은, 상기 제2 액체 탱크 내의 용융된 상기 땜납을 파쇄함으로써 상기 땜납 미립자를 형성함과 더불어, 상기 땜납 미립자를 상기 제2 액체 탱크의 상부로부터 상기 제1 액체 탱크에 공급하는, 솔더 범프 형성 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 액체 탱크는, 상기 기판, 상기 액체 및 상기 액체 속에 침전되어 있는 용융된 상기 땜납을 수용하는 제1 액체 탱크와, 상기 액체 및 상기 액체 속에 침전되어 있는 용융된 상기 땜납을 수용하는 제2 액체 탱크로 이루어지고,
    상기 제1 액체 탱크와 상기 제2 액체 탱크는, 상부끼리 및 저부끼리 연통하고,
    상기 땜납 미립자 공급 수단은, 상기 제1 액체 탱크 내 및 상기 제2 액체 탱크 내의 용융된 상기 땜납을 파쇄함으로써 상기 땜납 미립자를 형성함과 더불어, 상기 땜납 미립자를 상기 제2 액체 탱크의 상부로부터 상기 제1 액체 탱크에 공급하고, 상기 제1 액체 탱크의 저부에 침전된 상기 땜납 미립자를 용융된 상기 땜납으로서 재이용하는, 솔더 범프 형성 장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 액체 중에 플럭스가 포함되어 있는, 솔더 범프 형성 장치.
  14. 제9항에 있어서, 상기 액체 중에 유기산 혹은 플럭스가 포함되어 있거나, 또는 상기 액체가 상기 유기산으로 이루어지고, 상기 유기산 혹은 플럭스는 금속 표면의 산화물을 제거하는 환원 작용이 있는, 솔더 범프 형성 장치.
  15. 삭제
  16. 제9항에 있어서, 상기 금속막은 패드 전극으로 되어 있고, 상기 패드 전극 위에 솔더 범프를 형성하는, 솔더 범프 형성 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 땜납 미립자의 직경은, 인접하는 상기 패드 전극끼리의 주변 단부 사이의 최단 거리보다도 작은, 솔더 범프 형성 장치.
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