KR100985004B1

KR100985004B1 - 과포화 정제된 결정 플럭스를 사용하여 솔더링 작업용 금속 표면을 제조하는 방법, 볼 부착 작업용 웨이퍼의 제조 방법, 및 솔더 플럭스의 제조 방법

Info

Publication number: KR100985004B1
Application number: KR1020047010817A
Authority: KR
Inventors: 웨츠리안; 케서리자베쓰안; 바자즈라지브; 팡트렐리안트
Original assignee: 프리스케일 세미컨덕터, 인크.
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2010-10-04
Also published as: KR20050021352A; CN1596173A; JP2005534496A; TWI311510B; TW200413124A; WO2004011190A1; CN100574965C; MY137055A; JP4515258B2; US20040020562A1; AU2003248740A1; US7108755B2

Abstract

솔더링 공정을 위해 금속 표면(34)을 제조하기 위한 방법이 제공된다. 그 방법에 따르면, 금속 표면은 과포화된 카르복실산 용액을 포함하는 솔더 플럭스(31)에 의해 처리된다.

결정 플럭스, 금속 표면, 솔더 플럭스, 카르복실산 용액, 웨이퍼, 접합 패드

Description

과포화 정제된 결정 플럭스를 사용하여 솔더링 작업용 금속 표면을 제조하는 방법, 볼 부착 작업용 웨이퍼의 제조 방법, 및 솔더 플럭스의 제조 방법{Method for preparing a metal surface for a soldering operation using super-saturated fine crystal flux, Method for preparing a wafer for a ball attach operation, and Method for making a solder flux}

본 발명은 일반적으로 솔더 플럭스(solder flux) 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기판 또는 마더보드에 다이를 부착하기에 유용한 솔더 플럭스 조성물에 관한 것이다.

다양한 솔더 플럭스들은 솔더링 작업의 효율과 품질을 개선시키고 결합의 장기간 신뢰성을 개선시키기 위해 전자 구성 요소들, 회로들, 장비 등의 솔더링시 솔더링 재료들과 함께 사용된다. 솔더 플럭스들은 종종 솔더링되는 표면들 위의 금속 산화물들 및 불순물들과 반응하거나 그들을 용해하고, 산화에 대해 보호하기 위해 표면을 코팅하도록 구성되어 있다.

WL-CSP(Wafer Level Chip Scale Packaging)를 위한 웨이퍼 상의 볼 부착 공정에서처럼 매우 작은 외형을 갖는 물품들을 포함하는 솔더링 작업에서의 플럭스의 사용은 플럭스 자체와 적용 방법 두 가지에서 큰 요구에 놓여져 있다. 그들의 크 기 때문에, 이러한 형태의 장치들은 솔더 이음매의 배치 관점에서 볼때 에러에 대한 매우 작은 공차를 갖고 있다. 따라서, 솔더가 재유동(reflow) 동안 기판에 원래의 의도된 위치에서 이동된다면, 전기적 브리지(bridging)는 인접한 솔더 이음매 사이에서 발생할 수 있어서, 불량품을 초래하게 된다.

솔더 이동의 한가지 원인은 플럭스 자체이다. 플럭스가 충분히 활동적이지 않다면, 솔더는 재유동 동안 플럭스의 표면에 걸쳐서 이동할 수 있으므로 상술한 브리지 문제를 초래하게 된다. 과거에, 이러한 문제가 스텐실(stencil) 또는 탬플리트(template)를 사용하여 표면에 솔더 플럭스의 선택적 적용을 통해 처리되었다. 이론적으로, 스텐실은 솔더 플럭스가 적용되는 영역을 제한함으로써 솔더 이동을 최소화 할 수 있으므로, 솔더가 이동 할 수 있는 영역을 제한한다.

도 1 내지 도 3에는 솔더 플럭스를 적용할 시의 스텐실의 용도를 예시하고 있다. 이 접근 방법에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 스텐실(11)은 웨이퍼 기판(13)에 적용된다. 스텐실에는 솔더 플럭스를 수용하도록 되어 있는 다수의 구멍(15)들이 구비되어 있다. 이런 구멍들은 하부 범프(bump) 금속화 층(14) 위에 플럭스를 도입하기 위해 이격되어 있다. 하부 범프 금속화 층은 다시 접착 패드(16) 위에 배치된다. 이어서, 솔더 플럭스(17)는 고무비(queegee)(19)를 사용하여 템플리트에 걸쳐서 적용된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 솔더 플럭스(17)가 적용된 후에, 스텐실(11)은 솔더 플럭스가 구멍들의 부근에만 적용된 상태로 제거된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이 때 솔더 볼(21)들은 솔더 플럭스(17)위에 배치되어 재유동된다.

상술한 스텐실 접근 방법은 스텐실의 사용이 본래 제조 공정을 복잡하게 한다는 점에서 바람직하지 않다. 또한, 스텐실과 기판 사이에 임의의 오정렬로 인해 플럭스가 부적절하게 적용되고, 이에 따라 불량품을 초래하게 된다. 그러나 관련된 크기 때문에 정렬을 제어하기는 매우 어렵다. 게다가, 스텐실의 적절한 사용은 솔더 플럭스가 단지 웨이퍼 기판의 의도된 영역들에만 적용되는 것을 보증하는데 적합하나, 이런 접근 방법은 솔더 플럭스가 재유동 또는 솔더 볼 배치 동안 그러한 영역들로부터 연속해서 이동하지 않는다는 것을 보증할 수 없으므로, 처음부터 스텐실을 사용하는 이익을 손상시킨다.

그러므로, 다른 솔더 볼 부착 용례 뿐만 아니라 WL-CSP에 볼 부착 공정을 위해서도 사용될 수 있고, 그 적용을 위해 스텐실의 사용을 필요로 하지 않으며, 그리고 솔더 이동을 최소화하는 솔더 플럭스 및 기판에 솔더 플럭스를 적용하는 방법에 대한 요구가 당업계에 존재한다. 이들 및 다른 요구들은 본 명세서에 기술된 조성과 방법론에 의해 충족된다.

하나의 양태는, 볼 부착과 같은 솔더링 작업을 위해 금속 표면을 제조하는 방법이 본 명세서에 기재된다. 상기 방법은 특히 웨이퍼 레벨 칩 스케일 공정(wafer level chip scale opereation)에 적합하고, 예를 들면, 볼 부착에 앞서 하부 범프 금속화 층을 처리하기 위해 사용된다. 상기 방법에 따라서, 금속 표면이 카르복실산(carboxylic acids)의 과포화된 용액을 포함하는 솔더 플럭스를 코팅으로서 적용된다. 바람직하게는, 상기 용액은 카르복실산의 혼합물을 포함하고, 더 바람직하게는, 그 용액은 지방산(adipic acid), 정수산화벤조산(ortho-hydroxybenzoic acid) 및 부수산화벤조산(para-hydroxybenzoic acid)의 혼합물을 포함하는 것이다. 플럭스는 또한 바람직하게는, 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)과 같은 폴리알킬렌 글리콜(polyalkylene glycol)을 포함하고, 더 바람직하게는, 폴리에틸렌 글리콜과 같은 폴리알킬렌 글리콜과 폴리프로필렌 글리콜 모노부틸 에테르(polypropylene glycol monobutyl ether)와 같은 폴리알킬렌 글리콜 모노알킬(monoalkyl) 에테르의 혼합물을 포함하는 것이다. 여러 실시예에서, 플럭스는 브리지 발생없이 충분히 일정하거나 연속적인 층(즉, 층은 접착 패드와 공간 사이를 가로질러 넓혀진다)으로서 볼 부착 공정에서 웨이퍼 기판에 적용될 수 있을 만큼 충분히 활동적이므로, 스텐실의 필요를 회피할 수 있다.

다른 양태에서, 볼 부착 공정을 위해 웨이퍼 상에 하부 범프 금속화 층을 제조하기 위한 방법이 본 명세서에 기술되어 있고, 이 방법은 폴리알킬렌 글리콜을 포함하는 액상 매체에 배치된 적어도 하나의 카르복실산의 과포화된 용액을 포함하는 솔더 플럭스로 하부 범프 금속화 층을 처리하는 단계를 포함하는 것이다.

또 다른 양태에서, 볼 부착 공정을 위해 범프 금속화 층을 제조하기 위한 방법이 본 명세서에 기술되어 있고, 이 방법은 폴리에틸렌 글리콜과 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에테르를 포함하는 액상 매체에 배치된 유기산(organic acids)의 혼합물을 포함하는 솔더 플럭스로 하부 범프 금속화 층을 처리하는 단계를 포함하는 것이다. 유기산 혼합물은 지방산, 정수산화벤조산 및 부수산화벤조산을 포함한다.

다른 양태에서, 솔더 플럭스가 카르복실산의 과포화된 용액을 포함하는 것이 본 명세서에 기술되어 있다. 바람직하게는, 상기 용액은 카르복실산의 혼합물을 포함하고, 더 바람직하게는, 용액이 지방산, 정수산화벤조산 및 부수산화벤조산의 혼합물이다. 플럭스는 또한 바람직하게는 폴리에틸렌 글리콜과 같은 폴리알킬렌 글리콜을 포함하고, 더 바람직하게는 폴리에틸렌 글리콜과 같은 폴리알킬렌 글리콜과 폴리프로필렌 글리콜 모노부틸 에테르와 같은 폴리알킬렌 글리콜 모노알킬 에테르의 혼합물을 포함한다.

다른 양태에서, 솔더 플럭스를 제조하는 방법이 본 명세서에 기술되어 있다. 상기 방법에 따라서, 조성물이 액상 매체에 놓여 있는 산의 혼합물을 포함하는 것으로 제조되고, 상기 액상 매체는 온도(T₁)를 가지며, 산의 혼합물은 지방산, 정수산화벤조산 및 부수산화벤조산으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 산을 포함하고, 상기 조성물에서 상기 산들 중 적어도 하나의 양은 상기 온도(T₁)의 액상 매체에서 그 산의 용해도를 초과한다. 그런 다음, 상기 조성물은 모든 산이 액상 매체에 완전히 용해되는 온도(T₂)까지 가열되고, 그후 상기 조성물은 최소한 하나의 산에 관련된 과포화된 용액을 생산할 정도로 충분하게 냉각된다. 상기 액상 매체는 바람직하게는 폴리에틸렌 글리콜 및 폴리프로필렌 글리콜을 포함하고, 그리고 폴리프로필렌 글리콜은 바람직하게는 폴리프로필렌 글리콜 에테르이고, 더 바람직하게는 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에테르이다. 상기 산들의 혼합물은 바람직하게는 지방산, 정수산화벤조산 및 부수산화벤조산으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 두개의 산들을 포함하고, 더 바람직하게는 지방산, 정수산화벤조산 및 부수산화벤조산을 포함한다.

본 설명의 이들 및 다른 양태들은 이하에 상세하게 기술된다.

도 1 내지 도 3은 웨이퍼 기판에 플럭스를 적용하기 위한 종래 방법을 도시한 도면.

도 4 내지 도 5는 본 발명의 기술에 따라 웨이퍼 기판에 플럭스를 적용하기 위한 방법을 도시한 도면.

본 출원인들은 지금 놀랍게도 매우 공격적인 솔더 플럭스들이 과포화된 카르복실산의 어떤 용액들로부터 만들어 질 수 있다는 것을 발견하였다. 이런 플럭스들이 매우 공격적이기 때문에, 플럭스들은 그들이 적용되는 금속 표면으로부터 부스러기들(debris) 및 산화물 층들을 빠르게 제거하므로, 그에 의해 재유동 과정에서 매우 초기에 솔더가 부착하는 깨끗한 금속 표면을 나타낸다. 그 결과로서, 재유동 동안 솔더 이동이 최소화된다. 게다가, 솔더 이동이 최소화되기 때문에, 플럭스에 적용되는 스텐실의 사용은 더 이상 필요가 없다. 오히려, 플럭스는 웨이퍼나 다른 그런 기판에 걸쳐서 연속적인 층으로서 적용될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 기술된 과포화된 솔더 플럭스들의 사용은 웨이퍼 레벨 볼 부착(및 다른 형태에서의 솔더의 적용)을 매우 간단하고 용이하게 하고, 이 과정에 관련된 시간과 비용을 줄이며, 그리고 불량품의 공통적인 근원을 제거한다. 이런 플럭스의 적절한 성분들은 이하에서 상세하게 기술된다.

A. 정의

본 명세서에 사용된 바와 같이, "과포화된(supersaturated)"이라는 용어는 용질의 평형 용해도보다 더 높은 용질의 농도를 갖는 용액을 나타낸다. "평형 용해도(equilibrium solubility)"라는 용어는 용액에서 용질이 용해될 수 있는 비율과 용질이 용액으로부터 침전될 수 있는 비율이 같다는 용질의 농도를 나타낸다.

B. 유기산들(Organic Acids)

다양한 산들이 본 명세서에 기술된 솔더 플럭스들의 여러 실시예들에서 사용된다. 이용되는 산들은 통상 단독으로 또는 다른 산들과 조합하여 솔더 이음매가 부착되는 금속 표면으로부터의 금속 산화물들 또는 부스러기들을 제거하는 효과가 있고, 이에 의해 솔더 이음매를 위한 깨끗한 산화물 없는 표면을 생성한다. 구체적인 적용에 따르면, 상기 산은 또한 적용 또는 재유동 후에 잔재가 없거나 거의 남기지 않기 위하여 충분히 휘발성이 있는 솔더 플럭스를 양산하기 위해, 또는 물로 깨끗하게 할 수 있는 잔재 또는 그들이 적용되는 장비의 구성 또는 기판에 대해 비활성 또는 무해한(예를 들어 부식성이 없는) 잔재를 양산하기 위해 선택된다.

본 명세서에 기술된 솔더 플럭스들의 여러 실시예에 사용된 산들은 바람직하게는 유기산들이고, 더 바람직하게는, 카르복실산들이다. 적절한 카르복실산들은 모노카르복실산들(monocarboxylic acids), 디카르복실산들(dicarboxylic acids), 또는 폴리카르복실산들(polycarboxylic acids)일 수 있다. 그런 카르복실산들의 구체적 예들은 포름 산(formic acid), 아세트산(acetic acid), 프로피온산(propionic acid), 아비에트산(abietic acid), 발레르산(valeric acid), 카프로산(caproic acid), 페닐아세트산(phenylacetic acid), 벤조산(benzoic acid), 아미노벤조산(aminobenzoic acid), 숙신산(succinic acid), 글루타르산(glutaric acid), 지방산(adipic acid), 옥살산(oxalic acid), 마론산(malonic acid), 피메르산(pimelic acid), 수베르산(suberic acid), 아제라산(azelaic acid), 세베크산(sebacic acid), 시트르산(citric acid), 타르타르산(tartaric acid), 오레산(oleic acid), 스테아르산(stearic acid), 리노레산(linoleic acid), 맨델산(mandelic acid), 글리세르산(glyceric acid), 글리코르산(glycolic acid), 에난스산(enanthic acid), 카프르산(capric acid), 펠아르고산(pelargonic acid), 라우르산(lauric acid), 미리스트산(myristic acid), 팔미트산(palmitic acid), 아라크산(arachic acid), 베헨산(behenic acid), 아크릴산(acrylic acid), 메사크릴산(methacrylic acid), 푸마르산(fumaric acid), 마레산(maleic acid), 레브리느산(levulinic acid), 12-히드록시스테아르산(12-hydroxystearic acid), 벤조산(benzoic acid), 아니스산(anisic acid), 안스라닐산(anthranilic acid), 나프탈렌카르복실산(naphthalenecarboxylic acid), 피메르산(pimellic acid), 도데카네디오산(dodecanedioic acid), 에이코사네디오산(eicosanediodic acid), 프사르산(phthalic acid), 이소프사르산(isophthalic acid), 나프탈렌디카르복실산(naphthalenedicarboxylic acid), 디페닐술폰디카르복실산(diphenylsulfonedicarboxylic acid), 디페닐메사네디카르복실산(diphenylmethanedicarboxylic acid), 트리메리트산(trimellitic acid), 트리메스산(trimesic acid), 피로메리트산(pyromellitic acid) 및 부탄-1,2,3,4-테트라카르복실산(butane-1,2,3,4-tetracarboxylic acid)을 포함한다. 또한 이미 상술된 몇몇의 여러 지방산들(fatty acids)은 본 명세서에 기술된 플럭스들의 몇가지 실시예에서 이용될 수 있다.

다양한 비카르복실산들(non-carboxylic acids)은 또한 본 명세서에 기술된 솔더 플럭스들의 여러 실시예에서 사용될 수 있다. 예를 들면, 피-톨루엔술폰산(P-toluenesulfonic acid), 5-술포살리실산(5-sulfosalicylic acid), 4-술포프탈산(4-sulfophthalic acid) 및 술파닐산(sulfanilic acid)은 어떤 적용에서는 유용할 수 있다.

또한 상술한 산들 중 두 가지 이상에 기초한 다양한 혼합물들이 본 명세서에 기술된 플럭스들에 사용될 수 있다. 이들 중에 지방산, 정수산화벤조산(사리실산, salicylic acid) 및 부수산화벤조산의 혼합물이 특히 바람직하다. 가장 바람직한 혼합물은 이들 세 가지 산들의 대략 동등한 중량부로 형성된다. 액상 매체 및/또는 조성 산들의 적절한 선택에 대해, 혼합물은 혼합물의 성분의 몇몇 또는 모두의 비등점 보다 낮은 비등점을 갖는 것이 달성될 수 있으며, 따라서 솔더 재유동 동안 플럭스의 제거를 용이하게 할 수 있다.

필요하다면, 혼합물의 성분들은 솔더 이음매에 인접한 표면적 위에 산이 응 축되는 결과를 초래할 수 있는 승화를 회피하도록 선택될 수 있다. 또한 승화는 예를 들어 적절한 솔벤트(solvent) 매개나 촉진제의 사용과 같은 다른 수단을 통하여 회피하게 될 수 있다.

본 명세서에 기술된 플럭스들에 사용된 산들이 바람직하게 과포화된 용액에 존재하기 때문에, 이런 용액들은 어떤 주어진 시간에, 용액으로부터 침전되는 어떤 결정체의 양을 함유할 수 있다. 만약 플럭스가 볼 부착 공정에 사용된다면, 이런 결정의 가장 큰 크기의 평균 치수가 솔더 범프 피치보다 작아지도록 하기 위해 결정체의 침전이 적당히 제어되는 것이 바람직하다. 그러므로 이런 결정의 가장 큰 크기의 평균 치수가 일반적으로 100마이크론(microns)보다 작게, 바람직하게는 약 50마이크론보다 작게, 더 바람직하게는 약 40마이크론보다 작게, 그리고 가장 바람직한 것은 약 30마이크론보다 작게 되도록 결정체의 침전이 적당히 제어되는 것이 적합하다. 결정체 크기의 제어는 플럭스 성분이나 비율의 선택을 통해서, 플럭스의 냉각 형상을 제어함으로서 달성되고, 계면 활성제 또는 첨가물의 부가를 통해서, 냉각되는 동안 플럭스의 기계적인 운동을 통해, 냉각되는 플럭스를 여과하거나 다른 적당한 수단에 의해서 달성될 수 있다. 따라서 예를 들면, 과포화된 플럭스는 주어진 직경을 초과하는 플럭스로부터 어떤 입자를 여과하는 다공막에 걸쳐서 기판에 적용될 수 있다.

C. 솔벤트와 액상 매체(Solvents and Liquid Media)

다양한 솔벤트계와 액상 매체는 본 명세서에 기술된 솔더 플럭스들에 쓰일 수 있다. 몇가지 실시예에서, 단일 재료는 플럭스를 위해 솔벤트나 액상 매체로 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 재료의 혼합물이 플럭스를 위해 솔벤트나 액상 매체로 쓰일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 솔벤트계나 액상 매체는 플럭스에서 산들이 휘발하는 것을 방지하는 폴리에틸렌 글리콜과 같은 촉진제를 포함하고, 플럭스 및/또는 촉진제를 위해 일반적인 솔벤트로 작용하는 폴리프로필렌 글리콜 모노부틸 에테르와 같은 주요 성분을 포함할 수도 있다. 일반적인 솔벤트는 플럭스의 활성 인자와 촉진제 양자를 용해하는 능력이 좋지만, 일반적인 솔벤트가 활성 플럭스 성분들 모두를 완전히 용해할 수 있다고 생각하지 않는다(그런 불완전한 용해의 한가지 예는 과포화된 용액을 포함한다). 몇가지 실시예에서, 솔벤트계나 액상 매체는 솔더링 또는 솔더 재유동 과정에서 초기에 몰아낼 수 있는 낮은 비등점 성분들을 또한 포함할 수 있고, 솔더링 또는 솔더 재유동 과정에서 최후까지 플럭스에 유지될 수 있는 높은 비등점 성분들을 포함할 수도 있다.

본 명세서에 기술된 플럭스들에 쓰인 솔벤트계나 액상 매체의 유용한 성분들은 예를 들어 메타놀(methnol), 에타놀(ethanol), 이소프로필알코올(isopropyl alcohol), 엔-프로필알코올(N-propyl alcohol), 엔-부틸알코올(N-butyl alcohol), 세크-부틸알코올(sec-butyl alcohol), 또는 테트라히드로퍼르퓨릴 알코올(tetrahydrofurfuryl alcohol)과 같은 높은 비등점 지방족이나 시클로지방족 알코올(aliphatic or cycloaliphatic alcohols)을 포함할 수 있다. 또한 적당한 알코올은 다른 휘발성 지방족이나 시클로지방족 알코올을 포함할 수 있고, 특히 플럭스 성분들은 적어도 부분적으로 용해가능해야 한다.

에스테르나 에테르 결합을 포함하는 폴리올(polyols;글리콜을 포함)은 본 명세서에 기술된 플럭스들에 사용된 솔벤트계와 액상 매체에서 특히 유용하고, 몇몇 실시예에서, 촉진제 및/또는 일반적인 솔벤트로서 작용한다. 그런 폴리올들은 예를 들어 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 헥실렌(hexylene), 이소프로필렌, 이소부틸렌, 및 이소펜틸렌 폴리올(isopentylene polyols)과 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol)과 같은 분기형 또는 직선형 체인 알킬렌 폴리올(alkylene polyols)을 포함할 수 있다. 또한 그들은 폴리올 에스테르, 폴리올 에테르 및 폴리올 에테르 에스테르를 포함하고, 예를 들어 디에틸렌 글리콜 부틸 에테르 아세테이트(diethylene glycol butyl ether acetate), 트리프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트(tripropylene glycol methyl ether acetate), 에틸렌 글리콜 페닐 에테르 아세테이트(ethylene glycol phenyl ether acetate), 폴리비닐이소부틸 에테르(polyvinylisobutyl ether) 및 디에틸렌 글리콜 에틸 에테르 아세테이트(diethylene glycol ethyl ether acetate)를 포함할 수 있다.

또한 지방족 2염기 에스테르(aliphatic dibasic esters)는 본 명세서에 기술된 플럭스들에 채용된 솔벤트계와 액상 매체에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 적당한 지방족 2염기 에스테르는 디메틸 지방(dimethyl adipate), 디메틸 글루타르(dimethyl glutarate), 디메틸 숙신(dimethyl succinate) 및 그들의 조합을 포함한다.

폴리비닐알킬에테르(polyvinylalkylethers)는 또한 본 명세서에 기술된 플럭스들에 채용된 솔벤트계와 액상 매체에서 사용될 수 있다. 이들 중에, 알킬 그룹이 폴리비닐이소부틸에테르와 같은 1 내지 5 탄소 원자를 함유하는 것들은 특히 바람직하다.

본 명세서에 기술된 플럭스들에 채용된 솔벤트계와 액상 매체는 또한 낮은 비등점을 갖는 지방족 카르복실산 에스테르를 포함하고, 예를 들어 숙신산 디메틸 에스테르 또는 숙신산 디메틸 에스테르의 혼합물, 그리고 글루타르 및 지방산 디알킬 에스테르를 포함할 수 있다.

또한 본 명세서에 기술된 플럭스들에 채용된 솔벤트계와 액상 매체는 아자시클로지방(azacycloaliphatic)(즉, 엔-헤테로시클;N-heterocyclic)케톤, 시클로펜타노(cyclopentanone), 시클로헥사노(cyclohexanone), 엔-메틸-2-피로리돈(N-methyl-2-pyrrolidone), 아세톤 및 메틸 에틸 케톤을 포함하는 지방(aliphatic), 시클(cyclic) 또는 시클로지방 케톤(cycloaliphatic ketones)을 포함할 수 있다.

또한, 본 명세서에 기술된 플럭스들에 채용된 솔벤트계와 액상 매체는 방향족(aromatic) 또는 지방족 탄화수소(aliphatic hydrocarbons)를 포함할 수 있다. 어떤 경우에, 탄화수소의 부가는 기판의 전기적 특성을 개선시킬 수 있고, 트리클로로에탄(trichloroethane) 및 펄클로로에틸렌(perchloroethylene)와 같은 비극성 솔벤트를 가진 장치로부터, 그런 솔벤트의 사용이 요구된다면, 플럭스 제거의 용이함을 높일 수 있다. 적절한 탄화수소는 디엑실 에탄(1,1-di(orthoxylyl)ethane), 스쿠알란 또는 스쿠알렌과 같은 천연 오일, 미네랄 오일, 및 예를 들어 톨루엔(tolune) 및 실렌(xylene)과 같은 방향족 탄화수소를 포함한다.

상술한 여러 적절한 성분들 중에, 본 명세서에 기술된 플럭스들에 채용되는 솔벤트계 또는 액상 매체는 폴리프로필렌 글리콜 에테르와 같은 폴리알킬렌 글리콜 에테르를 갖는 폴리에틸렌 글리콜의 혼합물에 바탕을 두는 것이 적합하다. 폴리에틸렌 글리콜은 전형적으로 약 200 g/mol에서 약 4000 g/mol의 범위내이며, 바람직하게는 약 700 g/mol에서 약 1200 g/mol의 범위내이며, 더 바람직하게는 약 700 g/mol에서 약 1000 g/mol의 범위내에서 평균적인 분자량을 갖는다. 가장 바람직하게는, 폴리에틸렌 글리콜이 약 900 g/mol의 평균 분자량을 가지는 것이다. 폴리프로필렌 글리콜 에테르는 폴리프로필렌 글리콜 모노알킬 에테르인 것이 적합하고, 가장 바람직하게는 폴리프로필렌 글리콜 모노부틸 에테르인 것이다.

폴리에틸렌 글리콜과 폴리프로필렌 글리콜 에테르의 혼합물에 의거한 솔벤트계 또는 액상 매체를 이용하는 본 명세서에 기술된 솔더 플럭스들에서, 폴리에틸렌 글리콜의 양은 통상적으로 플럭스의 전체 중량에 의거하여, 약 5%에서 약 50%의 범위이고, 바람직하게는 약 10%에서 약 30%의 범위이며, 더 바람직하게는 약 15%에서 약 25%의 범위일 것이다. 가장 바람직하게는, 혼합물에서 폴리에틸렌 글리콜의 양은 플럭스의 전체 중량에 의거하여 약 17 중량 %일 것이다. 폴리프로필렌 글리콜 에테르의 양은 전형적으로, 플럭스의 전체 중량에 의거하여 약 10%에서 약 80%의 범위이고, 바람직하게는 약 20%에서 약 60%의 범위이며, 더 바람직하게는 약 35%에서 약 50%의 범위일 것이다. 가장 바람직하게는, 혼합물에서 폴리프로필렌 글리콜 에테르의 양은 플럭스의 전체 중량에 의거하여 약 44 중량 %일 것이다.

D. 계면 활성제 (Surfactants)

본 명세서에 기술된 솔더 플럭스 조성물의 몇가지 실시예에서, 조성물에서 하나 이상의 계면 활성제를 포함하는 것은 유익하다. 비이온(nonionic)이 더 적합한 그런 계면 활성제로는 페녹시폴리에톡시 에타놀(phenoxypolyethoxy ethanols); 펄플루오랄킬 알코올(perfluoralkyl alcohols); 글리세롤 모노라우라트(glycerol monolaurate) 및 에틸렌 글리콜 디스터레이트(ethylene glycol distearate)와 같은 글리콜 지방산 에스테르(glycol fatty acid esters); 알킬라릴 폴리에테르 알코올(alkylaryl polyether alcohols); 제 3기 아세틸렌 글리콜(tertiary acetylenic glycols); 에톡시레이트 폴리옥시프로필렌(ethoxylated polyoxypropylenes); 알코시레이트 비스페놀(alkoxylated bisphenols)과 같은 알코시레이트 페놀(alkoxylated phenols); 단-(mono-), 2-(di-) 또는 3-알킬(tri-alky) 또는 알킬 포스페이트 어스테르(-aryl phosphate esters); 레부린산(levulinic acid)과 같은 케토 지방산(keto fatty acids) 또는 케톤 지방산(ketone acids); 폴리카르복실산(polycarboxylic acids); 및 상술한 것의 혼합물을 포함한다.

E. 방식제와 착화제 ( Anticorrosion Agents and Complexing Agents)

본 명세서에 기재된 플럭스 조성물의 몇가지 실시예에서, 솔더되는 금속의 산화를 방지/최소화하기 위해 하나 이상의 방식제를 포함하는 것은 유익하다. 적절한 방식제의 예로서는 벤지미다졸(benzimidazole), 벤조트리아졸(benzotriazole) 및 이미다졸(imidazole)을 포함한다.

또한, 예를 들어 에틸아민(ethylamine)이나 다른 간단한 아민과 같은 착화제, 또는 에틸렌 디아민 테트라아세트산(ethylene diamine tetra-acetic acid)과 같은 킬레이트제(chelating agent)를 사용하는 것은 몇가지 실시예에서 유익하다.

F. 유변 촉진제( Rheology Promotors )

또한 본 명세서에 기술된 플럭스 조성물은 솔더 플럭스의 어떤 적용을 위해 요구되는 것으로서 소정 경로, 점도 또는 인쇄성을 달성하기 위한 하나 이상의 유변 특성 촉진제를 포함할 수 있다. 이런 것들은 폴리비닐 피로리돈(polyvinyl pyrolidone), 전분(starch), 아라비아 고무(arabic gum), 트래거캔스 고무(tragacanth gum) 및 산탄 고무(xantan gum)와 같은 히드록시 에틸 셀루로우즈 고무(hydroxy ethyl cellulose gums), 폴리아크릴산(polyacrylic acid), 폴리아크릴 아미드(polyacrylic amide), 에틸 셀루로우즈, 폴리(poly(ethylene-acrylic acid)), 및 폴리부텐(polybutene)과 같은 재료들을 포함한다.

G. 플럭스와 솔더 적용 방법(Methods of Applying Flux and Solder)

본 명세서에 기술된 플럭스 조성물은 다양한 기술로 금속 표면에 적용될 수 있고, 그것은 발포제, 웨이브 플럭스, 분사, 브러싱, 롤링, 디핑, 스크린 프린팅을 포함한다(상술한 것처럼, 후자의 방법은 일반적으로 필요하지 않지만, 필요하다면 쓰여짐). 솔더는 또한 드롭 디스펜싱(drop dispensing)과 웨이브 솔더링(wave soldering)을 포함하는 여러 기술로 플럭스 코팅 표면에 적용될 수 있다.

H. 실예 (Examples)

다음 예들에서, 달리 지적하지 않지만, 플럭스 성분의 모든 퍼센트는 플럭스의 전체 중량에 의거한 성분의 중량부를 나타낸다.

예 1

이 예는 본 명세서의 기술에 따라서 과포화된 플럭스의 제조를 설명한다.

지방산(융점: 153℃; 비등점: 265℃), 살리실산(정수산화벤조산)(융점: 160 ℃; 비등점: 211℃) 및 부수산화벤조산(융점: 216℃)의 동등한 영역이 함께 혼합된다. 다음에, 폴리에틸렌 글리콜(900 g/mol의 평균 분자량을 가짐)과 폴리프로필렌 글리콜 모노부틸 에테르가 산 혼합물에 첨가되고, 그 결과 용액은 천천히 섞이어 180℃로 가열되었다. 그 용액은 깨끗이 되자마자 열로부터 제거된다. 교반 속도는 발포를 회피하기 위하여 고속까지 천천히 증가되었다.

냉각되자마자, 동질의 결정상은 혼합물로부터 침전되었다. 용액이 약 50℃로 냉각되었을 때, 결정체는 약 50 마이크론보다 적은 평균 최대 직경을 갖는 것으로 측정 및 발견되었다. 결정체는 용액이 실온으로 냉각된 후 몇 시간 동안 계속 성장하는 것으로 관찰되었고, 따라서 용액이 냉각된 후 얼마동안 과포화로 남아있는 것이 증명된다.

예 2 내지 예 3

다음 예는 본 명세서의 기술에 따라서 만들어진 솔더 플럭스의 사용에 대한 설명이다.

예 1의 과포화된 솔더 플럭스의 효능은 WL-CSP 볼 부착 공정에서 아직 과포화된 형태로 있는 동안, 플럭스의 이용에 의해 시험되었다. 두개의 분리된 웨이퍼들은 실험에 관계되었고, 각 웨이퍼 위의 각각의 다이는 8 x 8 I/O 어레이를 갖고, 따라서 64 솔더 범프의 적용이 필요하며, 그 각각의 범프는 약 0.5㎜의 간격을 가지고 있다. 각 다이는 한쪽 길이가 5㎜인 정사각형이다.

각각의 경우에, 플럭스는 스크린 프린터를 사용하여 웨이퍼의 기판위에 고무비로 인쇄된다. 예 2에서, 상술한 플럭스의 2밀 두께층은 솔더 적용에 앞서 웨이 퍼의 표면위에 놓여진다. 예 3에서, 상술한 플럭스의 3밀 두께층은 솔더 적용에 앞서 웨이퍼의 표면위에 놓여진다.

플럭스를 적용하여 사용하는 방법이 도 4 내지 도 5에 도시되어 있고, 템플리트나 스텐실의 사용을 포함하지 않는다. 그 방법에 따라서, 플럭스(31)는 고무비(35)를 사용하는 웨이퍼 기판(33)에 적용된다. 웨이퍼는 다수의 접착 패드(36)를 포함하고, 그 각각은 하부 범프 금속화 층(34)에 설치된다. 솔더 플럭스는 웨이퍼의 전체 표면에 걸쳐 비교적 균일하게 코팅되어 적용된다. 그런 다음, Sn₆₂Pb₃₆Ag₂ 조성을 갖는 솔더 볼(37)은 수동 볼 드롭 도구를 사용하여 플럭스의 상부에 배치된다. 이 도구는 기본적으로 솔더 볼이 웨이퍼의 표면위에 떨어지도록 그 안에 구멍 패턴을 갖는 스크린이다.

솔더 볼이 증착된 후, 솔더 볼은 약 220℃에서 250℃의 범위 내의 온도에서 재유동되고, 불량 다이들의 수가 계산된다. 이런 예들의 목적을 위해, 다이 위에 존재하는 불량 솔더 범프의 수와 무관하게, 재유동 후 최소한 하나의 불량 솔더 범프를 가진 다이는 거절로 기록된다. 그러므로 64개의 허용가능한 솔더 범프들을 가진 다이만이 불량이 아닌 상태로 기록된다.

예 2에서, 다이 산출은 83%로 발견되었고, 예 3에서, 다이 산출은 72%로 발견되었다. 어떤 시도도 결과를 최적화하도록 만들 수 없다는 것과 방법론 및 장비가 상업적인 볼 부착 공정에서 사용되는 것 보다 이용되는 방법론이나 장비가 훨씬 조잡하고 에러가 나기 쉬울 수 있다는 것을 고려하면, 이런 산출은 상당히 좋은 것이다. 구체적으로, 거절된 다이에서 나타나는 대부분의 불량은 조작자의 에러에 기인한 경우이고, 그런 에러는 플럭스의 적용이나 솔더 볼의 배치에서의 에러이며; 그런 에러들은 전형적으로 자동적인 시판 규모의 과정에서는 발생하지 않는다.

비교예 1

시판 중인 플럭스(인디엄 코포레이션에서 시판중인, TAC 014)가 예 1의 플럭스 대신에 사용되는 것을 제외하면, 예 2가 반복되었다. 재유동 중에, 중요한 브리지 문제가 일어났고, 그 결과 다이 산출은 0%이었다.

예 2 내지 예 3과 비교예 1은 WL-CSP 장비의 제조에 관련된 타입의 볼 부착 공정에서 본 명세서에 기술된 과포화된 플럭스 조성의 효과를 예시하고, 심지어 어떤 스텐실도 사용되지 않는 때를 나타낸다. 또한, 이런 예들은 현존하는 플럭스들에 비해서 이런 플럭스들의 우수성을 증명한다. 상술한 것처럼, 어떤 시도도 이런 결과나 관련된 여러 공정 변수들(특히 프린트 속도와 고무비 압력)을 최적화하도록 만들 수 없고, 소규모 실험에 적절하지만, 상술한 것처럼 쓰여진 장비는 대규모 볼 부착 공정에서 전형적으로 쓰여진 장비보다 훨씬 덜 정교하다(후자의 장비는 전형적으로 자동 조정, 자동(그리고 최적화) 플럭스 프린터 및 비접촉 볼 배치를 가진 자동화 시스템을 포함). 그러나, 비록 그렇다 하더라도, 결과는 시판중인 플럭스 보다 본 명세서에 기술된 솔더 플럭스의 우수성을 증명한다. 게다가, 예 2 내지 예 3의 생산물에서 관찰된 다수의 결점은 조작자의 에러에 기인한 경우이기 때문에, 그런 예들에서 기술된 플럭스들은 다이 산출을 100%에 근접하도록 하는 더 정교한 공정(특히 볼 배치가 좋고 플럭스가 덜 손상되는 것을 가진 공정)에서 사용될 수 있는 것으로 예상된다.

솔더 플럭스, 및 기판에 솔더 플럭스를 적용하는 방법은 본 명세서에 기술되었고, 그것은 WL-CSP(wafer level chip scale packaging) 공정 및 다른 솔더링 공정에서 볼 부착을 위해 사용될 수 있으며, 그것은 적용에 있어 스텐실의 사용을 필요로 하지 않고 솔더 이동을 최소화한다.

본 발명의 상기 설명이 예시되었고, 제한되는 것을 의도하지 않고 있다. 그러므로, 다양한 부가, 대체, 변경들이 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 상술한 실시예들에서 이룰 수 있음을 이해할 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항을 참조하여 해석될 것이다.

Claims

금속 표면(34)을 제공하는 단계와,

상기 금속 표면에 카르복실산(carboxylic acid)의 과포화된 용액을 포함하는 솔더 플럭스(31)를 코팅으로서 적용하는 단계를 포함하는, 솔더링 작업용 금속 표면의 제조 방법.
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제 1 항에 있어서, 상기 솔더 플럭스는 폴리알킬렌 글리콜(polyalkylene glycol)을 포함하는, 솔더링 작업용 금속 표면의 제조 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 솔더 플럭스는 폴리알킬렌 글리콜 모노알킬 에테르(polyalkylene glycol monoalkyl ether)를 부가로 포함하는, 솔더링 작업용 금속 표면의 제조 방법.
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다수의 접착 패드들(36)이 위에 배치된 제 1 표면을 갖는 웨이퍼(33)를 제공하는 단계로서, 상기 다수의 접착 패드들 각각은 그 위에 배치된 하부 범프 금속화 층(34)을 갖는, 상기 웨이퍼(33)를 제공하는 단계와;

상기 웨이퍼의 제 1 표면 위에 솔더 플럭스(31)의 연속적인 층을 배치하는 단계를 포함하고, 상기 솔더 플럭스는 카르복실산의 과포화된 용액을 포함하는, 볼 부착 작업용 웨이퍼의 제조 방법.
액상 매체에 배치된 산의 혼합물을 포함하는 조성물을 제공하는 단계로서, 상기 액상 매체는 온도(T₁)를 갖고, 상기 산의 혼합물은 지방산(adipic acid), 정수산화벤조산(ortho-hydroxybenzoic acid) 및 부수산화벤조산(para-hydroxybenzoic acid)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 산을 포함하며, 상기 조성물내의 상기 적어도 하나의 산의 양은 온도(T₁)에서 액상 매체내에서 상기 산의 용해도를 초과하는, 상기 조성물을 제공하는 단계와,

상기 조성물을 상기 모든 산이 상기 액상 매체에서 완전히 용해되는 온도(T₂)까지 가열하는 단계와,

상기 산들 중 적어도 하나에 대해 과포화된 용액을 생산하기 위해 조성물을 충분히 냉각하는 단계를 포함하는, 솔더 플럭스의 제조 방법.
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