KR100923887B1 - 반도체 패키지용 솔더볼 - Google Patents

반도체 패키지용 솔더볼 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 패키지용 솔더에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 설명하면, 솔더볼 표면에 대전 방지제, 커플링제 및 로진(Rosin)을 코팅하여 장시간 고온, 고습에서도 안정적인 반도체 패키지용 솔더볼에 관한 것이다.
본 발명의 반도체 패키지용 솔더볼은 솔더볼; 및 상기 솔더볼 표면에 대전 방지제, 로진 또는 커플링제를 용매에 용해시켜 형성한 코팅층을 포함함에 기술적 특징이 있다.
솔더볼, 코팅, 커플링제, 로진, 대전방지

Description

반도체 패키지용 솔더볼{Solder ball for semiconductor device package}
본 발명은 반도체 패키지용 솔더볼에 관한 것으로서, 더욱 상세하게 설명하면, 솔더볼 표면에 대전 방지제, 커플링제 및 로진(Rosin)을 코팅하여 장시간 고온, 고습에서도 안정적인 반도체 패키지용 솔더볼에 관한 것이다.
전자 소자는 계속 증가되는 가전제품 및 상업용 전자 제품에 사용된다. 이러한 가전 제품 및 상업용 제품의 일예로는 텔레비젼, 퍼스널 컴퓨터, 인터넷 서버, 휴대폰, 호출기, 팜 타입 오거나이저(palm-type organizers), 휴대용 라디오, 카스테레오, 또는 리모콘 등이 있다. 이러한 가전제품 및 상업용 전자 제품의 수요가 증가함에 따라, 소비자와 기업들은 보다 소형이고, 보다 기능적이고, 보다 휴대하기 좋게 되는 제품을 또한 요구한다.
이들 제품에서의 크기를 감소시키기 위하여, 이들 제품을 구성하는 소자 또한 작아져야 한다. 이룰 위하여 소자를 구성하는 인쇄 회로 기판, 레지스터 및 칩 패키징(chip packaging)의 스케일을 축소해야 한다.
이러한 소자를 제품으로 출하하기 위해서는 인쇄 회로 기판상에 실장을 한 후, 패키징 공정을 거치게 되는데, 소자를 PCB상에 실장하는 과정에서 솔더볼이 사용된다.
솔더(solder)를 필요로 하는 소자를 위해, 제조 설비는 솔더 구체, 볼, 분말, 예비성형품 또는 그 밖의 다른 솔더 소자 또는 솔더 부품을 사용하여 액화 또는 변형 가능한 솔더 물질을 형성한다.
일반적으로 반도체 패키지용 솔더볼은 주석(Sn), 납(Pb), 또는 은(Ag) 등의 합금으로, 생산 및 취급이 용이하고 또한 녹는점이 비교적 낮아서 반도체 패키지를 외부장치에 연결하는 입출력 단자로 많이 사용되고 있다. 특히 솔더볼은 BGA, PBGA 등과 같이 입출력 단자가 일면에 어레이(Arry)된 형태의 반도체 패키지에 주로 이용되고 있다.
이러한 솔더볼은 반도체 패키지의 크기, 용도, 종류 및 고객의 취향에 따라 다양한 크기 및 다양한 금속 조성을 가질 수 있으며, 또한 최근의 환경오염 규제가 날로 커짐에 따라 납이 없는 주석으로만 된 솔더볼도 많이 개발 및 출시되고 있다.
한편, 상술한 바와 같이 최근 반도체 패키지에 사용되는 솔더볼의 종류(크기 및 금속 조성)가 다양해짐에 따라 하나의 생산 공정에서 여러 종류의 솔더볼을 사용해야만 하는 경우가 더욱 많아지고 있다.
솔더볼에 있어서, 솔더볼 표면에 형성된 산화물 및 그 밖의 오염물질 처리로부터의 과다한 감광은 제조 설비에서 이미지화 시스템에 어려움을 초래할 것이며, 이는 어두운 솔더볼을 소실된 솔더 구체로 오인할 수 있다. 이러한 오인은 솔더볼 이 부착되는 소자가 불량한 것으로 거부되어 궁극적으로 생산 비용을 증가시킬 것이다. 또한, 표면 산화물이 상당히 두꺼운 경우, 부품은 솔더로 경화되기 어려울 수 있고 최종 솔더 지점이 화학 오염물질에 의해 약화될 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 솔더볼 표면에 딥(Dip) 또는 스프레이 공정을 이용하여 윤활제 등을 코팅한 후, 솔더볼 용기에 산소처리 또는 습기를 제거함으로써, 솔더볼 간의 마찰에 의한 흑화 현상 및 산화를 방지하였다.
그러나 이러한 윤활제를 이용한 코팅방식으로는 단시간 저장 또는 운반에는 효과가 있으나 장시간 고온, 고습에서는 표면 산화 및 흑화현상이 발생하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 솔더볼 표면에 대전 방지제, 커플링제 및 로진(Rosin)을 코팅하여 장시간 고온, 고습에서도 안정적인 반도체 패키지용 솔더볼을 제공함에 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 솔더볼; 및 상기 솔더볼 표면에 대전 방지제, 로진 또는 커플링제를 용매에 용해시켜 형성한 코팅제를 코팅처리된 반도체 패키지용 솔더볼에 의해 달성된다.
따라서, 본 발명의 반도체 패키지용 솔더볼은 장시간 고온, 고습에서도 산화 방지 및 흑화 현상을 막을 수 있는 현저하고도 유리한 효과가 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 제조비용을 최소화하고 솔더볼을 포함하는 제품의 품질을 향상시키기 위한 솔더볼 코팅제를 개발하고, 이러한 코팅제를 피막으로 하여 형성한 솔더볼을 이용하여 소자를 제조하는 신뢰성 있는 방법을 개발하기 위한 것이다. 이러한 솔더볼 코팅제는 다양한 중합체, 및 금속 또는 금속 합금으로 이루어진 솔더볼 표면상에 얇은 코팅을 형성하기에 적합한 물질이 바람직하다.
본 발명에 따른 솔더볼은, 일예로서, 볼의 형태를 포함하는 구체, 분말 및 예비 성형체를 포함하거나 그 밖의 적합한 물질 또는 형태로 이루어져 있다.
본 발명에 따른 솔더볼의 소재는 금속, 예컨대, 인듐, 납, 은, 구리, 알루미늄, 주석, 비스무트, 갈륨 및 이들의 합금, 은 코팅된 구리, 은 코팅된 알루미늄, 이들의 조합을 포함하거나 또는 하기 기재되는 바와 같은 다른 금속과 함께 포함할 수 있다. 바람직한 솔더볼의 소재는 납(37%)-주석(63%) 공융 합금을 포함하는 납-주석 합금, 인듐 주석(InSn) 화합물 및 합금, 인듐 은(InAg) 화합물 및 합금, 인듐계 화합물, 주석 은 구리 화합물(이미 구리를 포함함) 및 합금(SnAgCu), 주석 비스무트 화합물 및 합금(SnBI), 및 알루미늄계 화합물 및 합금을 포함할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 용어 "금속"은 규소 및 게르마늄과 같은 금속 유사 성질을 갖는 원 소와 함께, 원소 주기율표의 d-블록 및 f-블록에 있는 원소들을 의미한다.
이러한 소재로 이루어진 솔더볼에 대전 방지제, 커플링제 또는 로진을 용매에 용해하여 형성한 코팅제를 이용하여 코팅층을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 코팅제는 솔더볼 표면 산화에 대한 내성을 보조하기에 적합한 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 솔더볼 표면에 도포되는 경우에 실질적으로 투명하게 될 물질인 것으로 간주될 수 있는 단량체를 포함하며, 코팅제는 솔더볼의 용융점 또는 변형가능하게 되는 온도로 가열되는 경우, 가열된 솔더볼의 물질로부터 용이하게 제거되거나 방출될 수 있는 온도로 증발되거나 분해될 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 코팅제에 포함된 대전 방지제는 4급 암모늄 화합물, 에폭시화 아민, 지방산 에스테르, 황산화된 왁스, 긴고리 지방족 아민, 아미드, 인상 에스테르 및 폴리에틸렌 글리콜 에스테르 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
그리고 커플링제는 실리콘 계열 또는 Ti 계열을 사용할 수 있으며, 로진은 검(Gum) 로진, 중합 로진, 에스테르 변성 및 수첨 로진 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 용매제로는 알콜계, 탄화수소계 또는 케톤계열을 사용할 수 있고, 알콜계 용매는 MeOH, EtOH, IOA 또는 BtOH를 사용할 수 있다. 그리고 탄화수소계 용매로는 N-Hexane, C-Haxane 또는 자일렌(Xylene)을 사용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 케톤계 용매는 아세톤, MEK 또는 MIBK를 사용할 수 있다.
실시예 1
본 발명의 실시예1 따른 반도체용 솔더볼의 코팅제는 로진(Rosin)을 알콜계 용매에 녹여 30~1000ppm 용액으로 이루어진 코팅제를 형성한다. 코팅제가 완성되면, 직경이 0.45mm인 솔더볼에 디핑(dipping) 또는 스프레이(Spray) 법을 이용하여 코팅한 후, 80 ~ 120 온도에서 건조한다.
실시예 2
본 발명의 실시예2에 따른 반도체용 솔더볼의 코팅제는 로진(Rosin)을 탄화수소계 용제를 녹여 형성한 것을 사용한다.
아래 표 1은 실시예들에 따른 코팅 처리된 솔더볼을 흔들어 흑화여부를 확인하기 위한 변색 테스트를 나타낸 것이다.
코팅처리를 하지 않은 비교예1의 경우, 솔더볼 간의 마찰에 의하여 15분 후, 흑화현상으로 인한 변색이 발생하였고, 솔더볼에 윤활제를 사용한 비교예2의 경우 1시간 후에 변색이 발생하였다.
반면, 본 발명의 실시예1,2를 살펴보면, 4시간 동안 변색없이 솔더볼의 상태가 안정적으로 유지됨을 알 수 있다.
[표 1]
구분 코팅제 SHAKING TEST
제1실시예 로진+알콜 4시간 후 변색
제2실시예 로진+탄화수소계 용제 4시간 후 변색
비교예1 윤활제 1시간 후 변색
비교예2 × 15분 후 변색
실시예 3
본 발명의 실시예3에 따른 솔더볼의 코팅제는 알콜에 커플링제를 용해한 것을 사용한 것이다.
먼저, 0.15 ~ 0.75mm 직경의 솔더볼 표면에 커플링제를 알콜에 용해시켜, 10 ~ 300ppm 으로 코팅제를 형성한 후, 디핑 또는 스프레이 공정을 이용하여 코팅한다. 코팅이 완료된 솔더볼은 80 ~ 120에서 건조시킨다.
실시예 4
본 발명의 실시예4에 따른 솔더볼의 코팅제는 커플링제에 탄화수소계 용제를 혼합하여 형성한다.
이렇게 형성한 코팅제를 솔더볼 표면에 코팅하고 온도 85,습도 85%RH 하에 소정의 시간동안 방치한 후, 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다.
비교예1,2와 대비시, 본 발명의 실시예3,4에 따라 솔더볼에 로진+알콜, 로진+탄화수소계 용제, 커플링제+알콜 및 커플링제+탄화수소계 용제로 이루어진 코팅제를 이용하여 코팅한 결과, 종래의 솔더볼에 비해, 2배 가까운 시간동안 변색없이 안정적인 상태를 유지함을 알 수 있다.
[표 2]
구분 코팅제 항온,항습(85,85%)
제1실시예 로진+알콜 96시간
제2실시예 로진+탄화수소계 용제 96시간
제3실시예 커플링제+알콜 96시간
제4실시예 커플링제+탄화수소계 용제 96시간
비교예1 윤활제 48시간
비교예2 × 48시간
특히, 솔더볼 코팅제에 포함된 로진은 솔더링에 사용되는 플럭스(flux)의 원료이다. 플럭스는 전자 부품 등의 납땜부에는 필요 불가결한 구성이다. 부품 리드·기판 동박 등의 금속 표면은 대기중에서 산화 피막에 덮여 있어, 납땜의 접합 특성을 저하시킨다.
그러나 본 발명은 로진을 이용하여 솔더볼 표면을 코팅함으로써, 납땜시 이러한 산화 피막을 제거해 깨끗한 접합면을 만들어 효과적인 땜납 접합을 가능함으로써, 납땜성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에서 기술된 솔더볼, 및 코팅제는 솔더 페이스트, 중합체 솔더 및 기타 솔더 계열 제형 및 물질을 생산하는데 사용될 수 있는데, 예를 들어, 솔더볼, 코팅 조성물 및 기타 관련된 물질은 구성성분으로서 사용되거나 전자 계열제품, 전자 소자 및 반도체 소자를 구성하는데 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, BGA 구를 생산하는데 사용될 수 있으며, BGA 구, 예를 들어 펌프형 또는 볼형 다이, 패키지 또는 기판을 포함하는 전자 조 립 소자에 사용될 수 있으며, 양극, 전선 또는 페이스트로 사용될 수 있거나 배스(bath) 형태로 사용될 수 있다. 특히, 솔더볼을 이용한 전자 계열 제품은 공장에서 사용되거나 다른 소비자에 의해 용이하게 사용되도록 하는 측면에서 최종처리될 수 있다.
완성된 제품의 예들로는 텔레비젼, 컴퓨터, 휴대폰, 무선호출기, 휴대용 장치, 휴대용 라디오, 카-스테레오, 및 리모콘이다. 또한, "중간" 제품, 예를 들어, 최종 제품에서 잠재적으로 사용되는 회로 기판, 칩 패키징, 및 키보드가 고려된다.
전자 제품은 또한 개념 모델로부터 최종 대형화/실물 크기까지 임의의 개발 단계에서 시제품 구성 성분을 포함할 수 있다. 시제품은 최종 제품에서 의도된 모든 실제 성분을 함유하거나 함유하지 않을 수 있으며, 시제품은 초기 시험하는 동안, 다른 성분에 대한 이들의 초기 효과를 무효화시키기 위한 조성 물질로부터 벗어나 구성될 수 있는 일부 성분을 지닐 수 있다.
본원에서 사용되는, 용어 "전자 소자"는 회로에 사용되어 일부 요망되는 전기적 작용을 얻을 수 있는 임의의 장치 또는 부분을 의미한다. 본원에서 고려되는 전자 소자는 활성 소자 및 수동 소자로의 분류를 포함하여 많은 상이한 방법으로 분류될 수 있다. 활성 소자는 일부 역학 작용, 예를 들어, 증폭, 진동, 또는 신호 조절을 수행할 수 있는 전자 소자로, 대개 이의 작동을 위해 전력 공급원을 요구한다. 예들로는 양극성 트랜지스터, 전기장효과 트랜지스터, 및 집적 회로가 있다. 수동 성분은 작동상에서 정적인 전자 소자로, 예를 들어, 일반적으로 증폭 또는 진동을 수행할 수 없으며, 대개 이들의 특정 작동을 위해 전력을 요구하지 않는다. 예들로는 통상적인 저항기, 축전기, 다이오드, 정류기 및 퓨즈가 있다.
본원에서 고려되는 전자 소자는 또한 도체, 반도체 또는 절연체로서 분류될 수 있다. 여기에서, 도체는 전하 캐리어(전자)를 전류로서 원자 중에 용이하게 이동시킬 수 있는 소자이다. 도체 소자의 예로는 회로 트래이스 및 금속을 포함하는 바이아스가 있다. 절연체는 기능이 실질적으로 전류의 전도에 극도로 내성인 물질의 능력과 관련된 소자이며, 반면 반도체는 실질적으로 도체와 절연체 사이의 자연적인 저항으로 전류를 전도시키는 물질의 능력과 관련된 기능을 지닌 소자이다. 반도체 소자의 예들로는 트랜지스터, 다이오드, 일부 레이저, 정류기, 사이리스터 및 광감지기가 있다.
본원에서 고려되는 전자 소자는 또한 전력 공급원 또는 전력 소비재로서 분류될 수 있다. 전력 공급원 소자는 통상적으로 사용되어 다른 소자에 전력을 가하는 것으로, 배터리, 축전기, 코일, 및 연료 전지를 포함한다. 본원에서 사용되는 용어 "배터리"는 화학 반응을 통하여 사용가능한 양의 전력을 생산하는 장치를 의미한다. 유사하게, 재충전용 또는 2차 배터리는 화학 반응을 통하여 사용가능한 양의 전기 에너지를 저장하는 장치이다. 전력 소비 소자는 저항기, 트랜지스터, IC, 센서 등을 포함한다.
또한, 본원에서 고려되는 전자 소자는 디스크리트(discreet)되거나 집적된 것으로서 분류될 수 있다. 디스크리트 소자는 회로 중 한 장소에서 집중된 하나의 특정 전기적 성질을 제공하는 장치이다. 예들로는 저항기, 축전기, 다이오드 및 트랜지스터이다. 집적된 소자는 회로 중 한 장소에서 다중의 전기적 성질을 제공할 수 있는 소자의 조합이다. 예들로는, IC, 즉 여러 소자 및 연결 트래스가 결합되어 다중 또는 복잡한 작용, 예를 들어 논리를 실행하는 집적 회로이다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (9)

  1. 솔더볼; 및
    상기 솔더볼 표면의 산화를 방지하도록 형성된 코팅층을 포함하는 반도체 패키지용 솔더볼에 있어서,
    상기 코팅층은 검 로진, 중합 로진, 에스테르 변성 및 수첨 로진 중 어느 하나를 용매에 용해시켜 상기 솔더볼의 표면에 딥 코팅 또는 스프레이 코팅하여 형성된 것을 특징으로 하는 반도체 패키지용 솔더볼.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용매는 알콜계 용매, 탄화 수소계 용매 및 케톤계 용매 중 어느 하나인 반도체 패키지용 솔더볼.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 알콜계 용매는 MeOH, EtOH, IOA 또는 BtOH인 반도체 패키지용 솔더볼.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 탄화 수소계 용매는, N-Hexane, C-Haxane 또는 자일렌(Xylene)인 반도체 패키지용 솔더볼.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 케톤계 용매는 아세톤, MEK 또는 MIBK인 반도체 패키지용 솔더볼.
  9. 삭제
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